石墨烯芯片還存在哪些問(wèn)題？能否取代傳統(tǒng)硅芯片？

石墨烯芯片還存在哪些問(wèn)題？能否取代傳統(tǒng)硅芯片？

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(guò)這些優(yōu)勢(shì)真的是電子工業(yè)所需要的嗎?

自從特朗普把“美國(guó)優(yōu)先”樹(shù)立為美國(guó)政府制定政策的標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，美國(guó)的各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門都應(yīng)景地涌現(xiàn)出“使美國(guó)再次偉大”的方案和計(jì)劃來(lái)，其中自然少不了電子行業(yè)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)作為美國(guó)軍用技術(shù)研究主要管理部門適時(shí)地啟動(dòng)了電子復(fù)興計(jì)劃。

該計(jì)劃旨在團(tuán)結(jié)美國(guó)的產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界，以重振美國(guó)略顯頹勢(shì)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(guó)的電子復(fù)興計(jì)劃將引發(fā)第二次電子革命。

美國(guó)的這一計(jì)劃分為三個(gè)部分：

一類關(guān)乎設(shè)計(jì)，包括：電子智能資源(IDEA)和先進(jìn)開(kāi)源硬件(POSH)，主要涉及到降低設(shè)計(jì)成本的問(wèn)題。

一類關(guān)乎計(jì)算機(jī)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(dú)立性和兼容性的問(wèn)題。

最后一類關(guān)注整合材料的問(wèn)題，即制造芯片材料的整合問(wèn)題，包括3D片上系統(tǒng)(3dSoC)和新計(jì)算基礎(chǔ)需求分析(FRANC)。

第一批入圍該項(xiàng)目資助的有來(lái)自于全美國(guó)的43個(gè)團(tuán)隊(duì)，其中來(lái)自麻省理工學(xué)院Max Shulaker團(tuán)隊(duì)獨(dú)得6100萬(wàn)美元位列第一，而這一數(shù)字也遠(yuǎn)高于同為研究3DSoC的佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的310萬(wàn)美元。目前該團(tuán)隊(duì)主要的研究?jī)?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(lái)。據(jù)稱該團(tuán)隊(duì)的研究?jī)?nèi)容將有望以更低的成本實(shí)現(xiàn)50倍計(jì)算性能的提升。

大投資、新材料加上號(hào)稱數(shù)量級(jí)的性能提升為這支石墨烯3D芯片團(tuán)隊(duì)賺足了眼球。國(guó)內(nèi)也有不少公眾號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)了這一消息，有的更將其稱之為“美國(guó)電子復(fù)興計(jì)劃中的絕對(duì)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(wèn)，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(fù)責(zé)此次3D芯片項(xiàng)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(shí)就有驚人的理論成果。他所在的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了世界上第一臺(tái)基于碳納米晶體管技術(shù)的計(jì)算機(jī)，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(jì)算和存儲(chǔ)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(guò)往，幾乎國(guó)內(nèi)所有的報(bào)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(gè)碳納米晶體計(jì)算機(jī)是完全意義上的純碳納米技術(shù)計(jì)算機(jī)，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(lái)，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(bào)告的芯片，擁著四個(gè)集成電路層，并擁有5個(gè)子系統(tǒng)。其中負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)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(jī)存儲(chǔ)單元(RRAM)和接口電路是由硅晶體管構(gòu)建的。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)組合型的氣味探測(cè)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(wèn)題
之所以人們會(huì)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(shuō)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(qiáng)，并且能夠支持快速開(kāi)關(guān)，因此其性能和能耗表現(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)硅材料”。

換言之就是說(shuō)，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(guò)這些優(yōu)勢(shì)真的是電子工業(yè)所需要的嗎?近幾年來(lái)，作為計(jì)算機(jī)核心的CPU的單核性能不再像過(guò)去一樣大幅提高的主要原因真的是因?yàn)楣璋雽?dǎo)體材料的力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性能不行嗎?

事實(shí)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?yàn)楣璋雽?dǎo)體本身的材料問(wèn)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(shì)越來(lái)越弱。伴隨而來(lái)的就是主頻的提升越來(lái)越難，目前制約主頻的主要因素已經(jīng)成為連線時(shí)延而非晶體管的翻轉(zhuǎn)速度。


(隨著制程的減小，門延遲降低而連線延遲上升)

可見(jiàn)此時(shí)引入新的材料并不能解決電子工業(yè)面臨的問(wèn)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(wèn)題。事實(shí)上，半導(dǎo)體電子管誕生初期就有過(guò)是不是應(yīng)該用功耗更低的鍺來(lái)做半導(dǎo)體的基材的討論。最后因?yàn)槌杀疽约肮桦娐愤^(guò)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(wèn)題，面對(duì)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(kāi)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(shuō)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(wèn)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(zhǎng)”出來(lái)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(zhǎng)碳納米晶體管也是令人頭疼的問(wèn)題。

2013年全球首臺(tái)碳納米晶體管計(jì)算機(jī)誕生時(shí)Max Shulaker教授說(shuō)：“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(tái)計(jì)算機(jī)僅僅只有178個(gè)晶體管，同時(shí)只能運(yùn)行支持計(jì)數(shù)和排列等簡(jiǎn)單功能的操作系統(tǒng)。這與當(dāng)時(shí)的硅半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)存在數(shù)千萬(wàn)倍的差距。

Max教授在另一篇論文中也承認(rèn)“碳納米管(加工中)容易改變，這會(huì)降低電路產(chǎn)量, 降低電路的抗干擾能力, 并嚴(yán)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(jì)。”

說(shuō)取代傳統(tǒng)硅芯片為時(shí)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?yàn)樾酒屑傻奶技{米晶體管數(shù)極大地增加到200多萬(wàn)個(gè)，另一方面是因?yàn)椤半娮訌?fù)興計(jì)劃”宣稱該團(tuán)隊(duì)的成果有望以更低的成本實(shí)現(xiàn)50倍的性能提升。

筆者認(rèn)為，現(xiàn)在說(shuō)石墨烯3D芯片取代傳統(tǒng)硅芯片還有許多困難，該團(tuán)隊(duì)的宣傳無(wú)疑存在相當(dāng)?shù)乃帧?br>
之所以這樣說(shuō)是因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)并未解決生產(chǎn)石墨烯芯片帶來(lái)的良品率問(wèn)題。所謂200萬(wàn)個(gè)碳納米晶體管由計(jì)算、輸入輸出和采集系統(tǒng)組成，并構(gòu)成了100萬(wàn)個(gè)氣味傳感器。也就是說(shuō)，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(cuò)性是非常強(qiáng)的。100萬(wàn)個(gè)傳感器中即使損壞幾萬(wàn)個(gè)也不會(huì)對(duì)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(tuán)隊(duì)確實(shí)在宣傳上也非常喜歡浮夸的風(fēng)格，在論文中動(dòng)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(jì)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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