硅計(jì)算機(jī)芯片從面世到現(xiàn)在已走過(guò)50多個(gè)春秋，正如一個(gè)邁入老年的人，硅芯片創(chuàng)新的步伐已明顯放緩?，F(xiàn)在，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)“受命于危難之間”，開(kāi)始著手解決這一問(wèn)題。

據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志官網(wǎng)報(bào)道，7月24日，DARPA宣布了一項(xiàng)總額7500萬(wàn)美元的計(jì)劃，旨在通過(guò)提升包括碳納米管在內(nèi)的新材料和新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究，重振芯片產(chǎn)業(yè)。在接下來(lái)的5年內(nèi)，DARPA的這一項(xiàng)目每年都將增長(zhǎng)到3億美元，總計(jì)15億美元，為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士提供相關(guān)資助。

對(duì)此，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)政策專家埃里卡·福斯欣喜地表示：“到了必須進(jìn)行這一步的關(guān)鍵時(shí)刻了。”

硅芯片正接近物理極限

1965年，英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出，芯片上可容納的晶體管數(shù)目，大約每18個(gè)月增加一倍——這就是我們所熟知的摩爾定律。

在隨后30年中，通過(guò)縮小芯片上元件的尺寸，芯片發(fā)展一直遵循著摩爾定律。然而進(jìn)入21世紀(jì)，單純依靠縮小尺寸的做法已經(jīng)明顯走到尾聲。

如果芯片縮小至2納米，那么單個(gè)晶體管將只有10個(gè)原子大小，如此小的晶體管，其可靠性很可能存在問(wèn)題。而隨著晶體管的連接越來(lái)越緊密，另一個(gè)問(wèn)題也凸顯出來(lái)——芯片功耗將越來(lái)越大。

麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程師馬克斯·蘇拉克說(shuō)，此外，如今芯片的運(yùn)行速度已經(jīng)停滯不前，且每次推出的新一代芯片能效只能提高30%。

諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線通訊專家格雷戈瑞·賴特指出，制造商正在接近硅的物理極限。電子被局限于僅100個(gè)原子寬的硅片內(nèi)，迫使科學(xué)家需要采用復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)阻止電子泄漏而導(dǎo)致錯(cuò)誤，“我們目前已經(jīng)沒(méi)有多少改進(jìn)空間，需要另辟蹊徑了”。

密歇根大學(xué)安娜堡分校計(jì)算機(jī)科學(xué)家瓦萊里婭·貝爾塔科表示，只有少數(shù)幾家公司能負(fù)擔(dān)得起耗資高達(dá)數(shù)十億美元的芯片制造工廠，這會(huì)扼殺這一曾經(jīng)由小型創(chuàng)業(yè)公司主導(dǎo)的領(lǐng)域的創(chuàng)新。

福斯說(shuō)，一些大公司開(kāi)始為特定任務(wù)設(shè)計(jì)專用芯片，這極大地降低了他們?yōu)榭梢怨蚕淼幕A(chǔ)研究付費(fèi)的動(dòng)力。福斯及其同事的一項(xiàng)研究指出，1996年，有80家公司加入了位于北卡羅來(lái)納州的半導(dǎo)體研究社團(tuán)，到2013年，這一數(shù)字減少為不到一半。

新材料、新架構(gòu)受追捧

DARPA正努力填補(bǔ)這一空白，為包括蘇拉克在內(nèi)的研究人員提供資助。蘇拉克正在使用由碳納米管制成的晶體管制造3D芯片，相比硅晶體管，碳納米管晶體管能夠更快更有效地開(kāi)關(guān)。

目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片，以便將邏輯和存儲(chǔ)功能更緊密地結(jié)合在一起，從而加快處理速度。但由于在芯片層之間傳輸信息的線路過(guò)于龐大而且分散，導(dǎo)致這種芯片的速度變慢。而且，由于二維硅芯層必須在超過(guò)1000攝氏度的高溫下單獨(dú)制造，因此，無(wú)法在現(xiàn)有的集成制造計(jì)劃中，在不熔化第三層的基礎(chǔ)上構(gòu)建3D芯片。

蘇拉克解釋說(shuō)，碳納米管晶體管幾乎可在室溫下制造，為密集的集成3D芯片提供了更好的途徑。盡管其團(tuán)隊(duì)的3D芯片將比最先進(jìn)的硅設(shè)備大10倍，但這種芯片的速度和能效預(yù)計(jì)將提高50倍，對(duì)于耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，這不啻為一大福音。

此外，DARPA項(xiàng)目還支持對(duì)靈活芯片架構(gòu)的研究。

亞利桑那州立大學(xué)的無(wú)線通訊專家丹尼爾·布利斯及其同事希望，利用可以即時(shí)重新配置以執(zhí)行特定任務(wù)的芯片來(lái)改善無(wú)線通訊的效果。布利斯正致力于研制利用軟件而非硬件來(lái)混合和過(guò)濾信號(hào)的無(wú)線電芯片，這一進(jìn)步將使更多設(shè)備能夠無(wú)干擾地發(fā)送和接收信號(hào)。他說(shuō)，這可以改善移動(dòng)和衛(wèi)星通信，并加快讓無(wú)數(shù)設(shè)備彼此之間通信的物聯(lián)網(wǎng)的增長(zhǎng)。

DARPA提供的另一項(xiàng)資助將授予斯坦福大學(xué)的研究人員，用于改進(jìn)芯片制造中使用的計(jì)算機(jī)工具。這些工具通過(guò)被稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能來(lái)驗(yàn)證新穎的芯片設(shè)計(jì)。它們將有助于檢測(cè)由數(shù)十億個(gè)晶體管組成的芯片中的設(shè)計(jì)缺陷，這一過(guò)程以前大部分都是手動(dòng)完成，新工具有助于加快這一任務(wù)的自動(dòng)化程度，提升公司測(cè)試和制造新芯片架構(gòu)的能力。

斯坦福大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程師、3D碳納米管和電路驗(yàn)證項(xiàng)目研究員瑟巴哈斯希·密特拉說(shuō)，即便只有小部分新項(xiàng)目取得成功，DARPA的最新資助計(jì)劃“也將徹底改變我們?cè)O(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的方式”。他表示，這也將促使工程師們超越已在芯片領(lǐng)域盤(pán)踞數(shù)十年的硅，“現(xiàn)在看來(lái)很明顯，硅會(huì)沿著已知路徑前進(jìn)，但我們清楚地知道，未來(lái)不是這個(gè)樣子”。