斯坦福大學工程師開發(fā)出的四層“多層芯片”原型。底層和頂層是邏輯晶體管，中間是兩層存儲芯片層。垂直的管子是納米級的電子“電梯”，連接邏輯層和存儲層，讓它們能一起工作解決問題。

左邊是目前的單層電路卡，邏輯與存儲芯片分隔在不同區(qū)，通過電線連接。就像城市街道，由于數(shù)據(jù)在邏輯區(qū)和存儲區(qū)來來回回地傳輸，常會產(chǎn)生擁堵。右邊是多層的邏輯芯片和存儲芯片，形成一種“摩天大樓”式的芯片，數(shù)據(jù)通過納米“電梯”實現(xiàn)立體傳輸，避免了擁堵。

幾十年來，“更小、更快、更便宜”已成為推動電子設(shè)備發(fā)展的魔咒。最近，美國斯坦福大學工程師又給它增加了第四個——更高。在12月15日至17日美國舊金山召開的電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)國際電子設(shè)備大會上，斯坦福大學研究小組介紹了怎樣構(gòu)建一種“多層”芯片，能大大提高目前電路卡上單層的邏輯和存儲芯片的性能。

電路卡就像繁忙的城市，在存儲芯片上存儲數(shù)據(jù)，通過邏輯芯片計算。當計算機繁忙時，連接邏輯芯片與存儲芯片的線路就會發(fā)生“數(shù)字交通擁堵”，而“多層”芯片能終結(jié)這種擁堵。

這種新方案能在存儲層上疊加邏輯層，緊密且互相連接，通過數(shù)千個納米級的電子“電梯”在各層之間運輸數(shù)據(jù)，將比目前單層邏輯芯片和存儲芯片間的連線速度更快，耗電更少。

三項突破

這項研究由斯坦福大學電學工程與計算機科學教授薩博哈西斯·米特拉和H-S·菲利普·翁等人負責。據(jù)研究小組介紹，他們的創(chuàng)新研究取得了三項突破：第一是制造晶體管的新技術(shù)，晶體管是微小的門，通過開關(guān)電流來代表1和0;第二是新型的計算機存儲器，具有多層結(jié)構(gòu);第三是把制造邏輯門和存儲器的新技術(shù)整合在一起，成為多層結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，這與以往的堆疊芯片完全不同。

“這項研究還在早期階段，但我們的設(shè)計和制造技術(shù)是可升級的。”米特拉說，“隨著今后的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)將會使計算機性能大大提高，超過現(xiàn)有任何計算機?！?

翁說，這種芯片的原型已在去年的國際電子器件大會(IEDM)上展出過，顯示了怎樣把邏輯和存儲芯片結(jié)合到一種能大規(guī)模生產(chǎn)的三維結(jié)構(gòu)上。可以說，這改變了芯片的范式?！坝辛诉@種新結(jié)構(gòu)，電子制造業(yè)會把你手中的計算機變成強大的超級計算機?！?

碳納米管造邏輯層

工程師幾十年前就已造出了硅芯片。但無論手機還是平板電腦都會發(fā)熱，放出熱量的大小也能顯示其內(nèi)部問題。即使把它們關(guān)上，有時也會有電從硅晶體管中泄露。用戶會感覺到熱，對系統(tǒng)本身來說，這種泄露也會耗盡電池，浪費電力。研究人員正致力于解決這一難題，比如用碳納米管(CNT)晶體管。

碳納米管非常纖細，20億根才有一根頭發(fā)粗細，所以漏電要比硅少得多。在米特拉和翁的第二篇會議論文中，介紹了他們是怎樣制造性能最高的碳納米管晶體管的。用以往的生產(chǎn)碳納米管的標準工藝，造出的納米管密度不夠致密。他們攻克了這一難題，開發(fā)出一種靈活的技術(shù)，能把足夠多的碳納米管打包在足夠小的面積里，以制造有用的芯片。

他們先在圓形石英晶片上用標準方法生產(chǎn)碳納米管，然后增加厚度到一定量，再用黏合法把整個碳納米管層從石英介質(zhì)上剝離，放到硅晶片上。這種硅晶片就是他們多層芯片的基礎(chǔ)。

研究人員先要制造密度足夠大的碳納米管層，才能制造出高性能的邏輯設(shè)備。他們按這種工藝重復13次，在石英晶片上生長了一大堆碳納米管，然后用轉(zhuǎn)移技術(shù)剝離，把它們沉淀在硅晶片上。用這種簡捷的技術(shù)來固定，他們造出了一些迄今密度最高、性能最高的碳納米管。他們還證明了，在制造多層芯片時，能在超過一個邏輯層上實施這種技術(shù)。

“三明治式”存儲器

造出高性能的CNT晶體管層只是多層芯片的一部分，在每層CNT晶體管層上直接制作出存儲芯片也同樣重要。翁是制造這種存儲器的領(lǐng)導者。

翁設(shè)計的新型存儲器與目前的存儲器完全不同，不是以硅為基礎(chǔ)，而是用氮化鈦、二氧化鉿和鉑，構(gòu)成一種金屬—氧化物—金屬的夾層結(jié)構(gòu)，從一個方向通電會產(chǎn)生電阻，而反向通電則能導電。從電阻到導電狀態(tài)的改變，就是這種新存儲技術(shù)形成數(shù)字0和1的方式，所以它的名字就叫做電阻式隨機存取存儲器或RRAM。

RRAM比目前的存儲器耗電更少，在移動設(shè)備上使用能延長電池壽命。這種新的存儲技術(shù)也是制造多層芯片的關(guān)鍵，因為RRAM能以比硅存儲器更低的溫度制造。

多層互連

會議上展示的是斯坦福大學電學工程研究生馬克斯·修雷克和托尼·吳制造的四層芯片。制造RRAM和CNT晶體管層都是以低熱工藝為基礎(chǔ)，所以能在每層 CNT邏輯芯片上直接制造存儲芯片層，在制造每層存儲芯片層時，能鉆數(shù)千個與下面邏輯層互相連通的小孔。在傳統(tǒng)的電路卡上，就是這種多層互連讓多層芯片能避免“交通擁堵”。

如果用傳統(tǒng)的硅基邏輯和存儲芯片，無法實現(xiàn)多層間的緊密互連。因為制造硅基存儲器要花太多熱量，大約要1000℃，這會讓下面的邏輯芯片融化。

以往也有人研究堆疊式硅芯片，這會節(jié)約空間，但無法避免數(shù)據(jù)“交通擁堵”。因為每層芯片都要獨立制造，并用電線連接——這仍然傾向于擁堵，與研究小組設(shè)計的“納米電梯”是完全不同的。

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