非線性混沌集成電路：為摩爾定律帶來新希望

集成電路

（圖片來源於: Behnam Kia）

引言

摩爾定律一直是半導體產業界的重要定律，它表明集成電路上的電晶體數量每兩年都就要翻一倍，處理器的性能也要提高一倍。

但是，由於電晶體尺寸正逼近物理極限，摩爾定律面臨著嚴峻挑戰。

然而，北卡羅萊納州立大學的研究人員開發了一種新型、非線性的、基於混沌的集成電路，使用新型計算機體系結構，用更少的電晶體達到更佳的性能。

摩爾定律面臨挑戰

1971年，英特爾的聯合創始人之一戈登摩爾(Gordon Moore)，提出過：當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數量，約每兩年便會增加一倍，性能也將提升一倍。

這就是著名的「摩爾定律」，它預示了半導體產業的發展速度。

為了滿足摩爾定律，之前傳統的技術手段，都是通過減少電晶體尺寸，以便在晶片上集成更多電晶體，從而提高晶片性能。

然而，晶片上的電晶體的尺寸正面臨無法繼續縮小的風險，「摩爾定律」未來幾年將面臨嚴峻挑戰，所以半導體行業正在尋找新途徑來創建更佳的計算機晶片。

IntelligentThings在之前的文章中也有過介紹幾種解決「摩爾定律」所面臨的難題的新技術，例如量子晶片技術：《新型晶片：集成光量子技術，更具有應用性！》（點此閱讀）、多核技術：《多核晶片性能顯著改善：科學家設計硬體加速核間通信》（點此閱讀）、DNA電路技術：《DNA計算機領域重要進展：DNA模擬電路進行數學運算》（點此閱讀）等等。

然而，今天我們將提供另外一種思路和方案。

非線性混沌集成電路

最近，北卡羅萊納州立大學的研究人員開發了一種新型、非線性的、基於混沌的集成電路。

使用這種集成電路的計算機晶片，可以使用更少的電晶體來執行多功能。

這些電路可以以現有的工藝生產，也帶來了一種全新的計算機體系結構。

北卡羅來納州立大學物理學高級研究員、論文的第一作者Behnam Kia如此描述這項研究：

「我們正在到達電晶體尺寸的物理極限，所以我們需要一種新途徑來提高微處理器性能。

我們建議使用混沌理論（系統自己的非線性）來讓電晶體電路可編程完成不同任務。

非線性電晶體電路十分簡單，且包含非常豐富的模式。

不同的模式代表非線性動力學系統中的不同功能，且是可選擇的。

我們利用這些動力學級別的行為，使用單個電路完成不同的處理任務。

結果，我們可以通過更少的電晶體，完成更多功能。

」

原理和核心技術

傳統的電晶體電路，每次只能完成一個任務。

每條指令和操作數，都由集成電路上特定的電晶體電路完成，從而實現處理器的操作任務。

然而在Kia的設計中，電晶體電路通過在不同的操作和功能之間變換，可被編程完成不同的指令。

根據Kia的說法，在目前的處理器中，你無法同時利用處理器上所有的電路，這樣會造成浪費。

然而，他們的設計可以讓電路可以迅速轉變且重新配置，在每個時鐘周期內完成特定的數字功能。

設計的核心是模擬的非線性電路，但是接口卻是完全數字的。

這種設計讓電路作為一個完全可變換的數字電路來操作，簡單地連接到其他數字系統。

商業和未來展望

研究人員已經設計了一種新的方案，與現有的技術兼容，並且使用和現有計算機晶片同樣的製造工藝和CAD工具，目標在於商業應用。

kia認為，這種晶片可以通過更少電晶體完成更高的處理性能，100個可變換的、非線性的、基於混沌的電路相當於10萬個傳統電路的工作能力。

1億個電晶體可以相當於30億個傳統晶體的工作能力，從而達到摩爾定律的性能翻倍的要求。

它並不是讓電晶體的數量每兩年翻一倍，而是通過非線性和混沌電路來提升性能。

研究人員正在改進設計，以達到可商用的尺寸、功率、可簡單編程性。

他們希望在未來幾個月，進一步挖掘這項技術的商業潛力和價值。

參考資料

【1】Behnam Kia, Kenneth Mobley, William L. Ditto. An Integrated Circuit Design for a Dynamics-Based Reconfigurable Logic Block. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2016; 1 DOI: 10.1109/TCSII.2016.2611442

【2】https://news.ncsu.edu/2016/09/kia-mooreslaw/

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