新的3-D晶片結合了計算和數據存儲

2017-07-13 05:27:00 作者：陳杰

隨著嵌入式智能技術正在越來越多的領域進入生活，從自主駕駛到個性化醫療領域正在產生大量的數據。

但是，隨著數據的泛濫達到很大的程度，計算機晶片將其處理成有用的信息的能力正在停滯。

據外媒報導：近日，史丹福大學和麻省理工學院的研究人員已經建立了一個新的晶片來克服這個障礙。

研究結果在外媒的「 自然 」雜誌上發表，主要作者是麻省理工學院電氣工程和計算機科學助理教授馬克斯·舒爾克（Max Shulaker），Shulaker與H.-S，在該校擔任博士生。

該團隊還包括來自史丹福大學的Roger Howe教授和Krishna Saraswat教授。

今天的計算機是由不同的晶片拼湊組裝在一起。

那麼用於計算的晶片和用於數據存儲的單獨晶片兩者之間的連接是有限的。

隨著應用程式分析日益增加的大量數據，數據在不同晶片之間移動的有限速率將創造一個關鍵的通信「瓶頸」。

晶片上的空間有限，沒有足夠的空間將它們放在旁邊，即使它們已經小型化（這是一種稱為摩爾定律的現象）。

更糟糕的是，矽片製成的電晶體已經不再像以往那樣更加出色。

新的原型晶片是今天晶片的根本變化。

它使用多種納米技術，以及新的計算機架構來扭轉這兩種趨勢。

該晶片不是依賴於矽基器件，而是使用碳納米管，它們是使用納米圓柱體的2-D石墨烯片，以及電阻隨機存取存儲器（RRAM）單元，這是一種非易失性存儲器，通過了改變電阻固體電介質材料。

研究人員集成了超過100萬個RRAM單元和200萬個碳納米管場效應電晶體，使得最新型納米電子系統成為新興的納米技術。

RRAM和碳納米管彼此垂直地構建，形成了具有邏輯和存儲器交錯層的新的密集的3-D計算機體系結構。

通過在這些層之間插入，這種3-D架構有望解決通信瓶頸。

然而，根據本文的主要作者，Max Shulaker（麻省理工學院微系統技術實驗室的核心成員），現有的基於矽的技術不可能採用這種架構。

「現在的電路是2-D，因為建立傳統的矽電晶體涉及超過1000攝氏度的極高溫度，」Shulaker說。

「如果然後在上面構建第二層矽電路，那麼高溫會損壞電路的底層。

」

這項工作的關鍵是碳納米管電路和RRAM存儲器可以在低於200℃的低溫下製造。

「這意味著它們可以層疊而不會損害下面的電路」。

這為未來的計算系統提供了幾個好處。

「器件更好：與現在的矽製成的邏輯相比，碳納米管製成的邏輯可以比能量效率高出一個數量級，同樣的，與DRAM相比，RRAM可以更加密集，更快速，更節能。

指的是稱為動態隨機存取存儲器的常規存儲器。

「除了改進的設備之外，3-D集成可以解決系統中的另一個關鍵問題：晶片之間和晶片之間的互連。

「新的三維計算機架構提供了密集和細粒度的計算和數據存儲集成，大大克服了晶片之間移動數據的瓶頸，「因此，該晶片能夠存儲大量數據，將龐大雜亂的數據轉化為有用的信息。

」

為了展示該技術的潛力，研究人員利用碳納米管的能力也可以作為傳感器。

在晶片的頂層，他們放置了超過100萬個基於碳納米管的傳感器，用於檢測和分類環境氣體。

由於傳感，數據存儲和計算的分層，晶片能夠並行測量每個傳感器，然後直接寫入其存儲器，產生巨大的帶寬。