使美国再次伟大,石墨烯3D芯片能延续美半导体荣光

个人随笔 作者:

原标题:摩尔定律放缓 石墨烯3D芯片能延续美半导体荣光

自从特朗普把“美国优先”树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出“使美国再次伟大”的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

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自从特朗普把"美国优先"树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出"使美国再次伟大"的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局(DARPA)作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的,揭示了信息技术进步的速度。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

美国的这一计划分为三个部分:

出品:科普中国

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一类关乎设计,包括:电子智能资源和先进开源硬件,主要涉及到降低设计成本的问题。

制作:中科院物理所科学传播协会

美国的这一计划分为三个部分:

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件和区域片上系统,主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

监制:中国科学院计算机网络信息中心

一类关乎设计,包括:电子智能资源(IDEA)和先进开源硬件(POSH),主要涉及到降低设计成本的问题。

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统和新计算基础需求分析。

摩尔定律

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件(SDH)和区域片上系统(DSSoC),主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

摩尔定律

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统(3dSoC)和新计算基础需求分析(FRANC)。

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为“美国电子复兴计划中的绝对核心”,并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

摩尔定律告诉我们,集成电路特征尺寸随时间是按照指数规律缩小的。可以说,它是集成电路发展的风向标。如果硅基芯片走到“穷途末路”,就意味着芯片上所能容纳的元器件数目达到了极限,那么芯片性能也就无法继续提升了。通俗一点,计算机更新换代的时代就结束了。这听起来非常耸人听闻,但却的确是一个切实而严峻的问题。大家一定很好奇,为什么摩尔定律就走到头了,特征尺寸不能在继续小下去,这就要回到我们所用的硅基材料的问题上。

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负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

硅基cmos技术

(该团队在3DSoC分项中获得了绝大多数赞助)

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

cmos 是 complementary metal oxide semiconductor的缩写,它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。而硅基cmos就是以硅为衬底的芯片。

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为"美国电子复兴计划中的绝对核心",并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

由于Max教授2013年的辉煌过往,几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片,而且把Max 2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续,而忽略了二者存在的明显区别。

高性能电子型和空穴型场效应晶体管的制备及集成是硅基cmos技术的核心。晶体管尺寸的减小会导致器件加工越来越困难,其中有两大问题:一是器件的加工精度,二是半导体材料掺杂的均匀性。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机,其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料,而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来,两者的思路是不尽相同的。

首先,器件的加工精度遇到了问题。这其实很容易理解,芯片上晶体管的尺寸越来越小,加工自然越来越难,技术要求也越来越多。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

其次,硅这种半导体材料的均匀掺杂遇到了问题,尤其是当期间尺寸达到纳米量级。半导体材料的掺杂是为了实现器件的电学性质,掺杂出现了问题,必定会严重影响晶体管电学性质的性能和稳定性。

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石墨烯芯片还存在很多问题

硅基cmos技术遇到瓶颈,摩尔定律面临极限,那么大家最想问的一定是:这个问题是否就无解了?

(Max Shulaker教授像)

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:“与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

ibm公司曾在2015年度的国际固态电路会议上宣布,微电子工业走到7纳米技术节点时将不得不放弃使用硅作为支撑材料,非硅基纳电子技术将会兴起。ibm 的系统计算表明,相比于硅芯片,10纳米技术节点碳纳米管芯片在性能和功耗方面都有明显改善。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

换言之就是说,石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗?近几年来,作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗?

例如,从硅基7纳米技术到5纳米技术,芯片速度大约提升20% ;而相比硅基7纳米技术,碳纳米管7纳米技术的芯片速度将提升300%。ibm 甚至宣布,由碳纳米管构成的芯片将于2020年之前成型 。

由于Max教授2013年的辉煌过往,几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片,而且把Max 2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续,而忽略了二者存在的明显区别。

事实显然不是这样,现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因,有主频难以继续提高的原因,也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

作为与硅同为四族元素的碳,似乎成了未来的希望。那问题又来了,为什么是碳基材料?下面我们一起来看一下碳基材料的优势。

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机,其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料,而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来,两者的思路是不尽相同的。

以主频的提高为例,130nm工艺之后,芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难,目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

碳基材料的优势及挑战

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可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题,何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上,半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

电子学中的碳基材料主要有碳纳米管、石墨烯、富勒烯。我们主要给大家介绍一下呼声最高的碳纳米管和石墨烯。

(论文配图可以明显看出不是纯石墨烯芯片)

今天引入的新材料,如果不能解决上面这些关键问题,面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小,所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

1碳纳米管

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

Max教授在他近期的论文中宣称:“该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度”。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

△碳纳米管

石墨烯芯片还存在很多问题

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的,构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的,而是“生长”出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

碳纳米管是在1991年由日本筑波nec实验室的物理学家饭岛澄男发现的。它是一种管状的碳分子,按照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细,只有纳米尺度,几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽,碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:"与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料"。

这种方式在一定程度上有其优越的一面,另一方面,如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

碳纳米管具有极其优异的电学、光学、热学、磁学以及力学性能,是理想的纳电子和光电子材料。为什么这么说呢?我们不妨来看一个参数:

换言之就是说,石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗?近几年来,作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗?

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说:“这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。”而这台计算机仅仅只有178个晶体管,同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

室温下,硅基场效应管的电子迁移率是1000 cm/(v·s),而碳纳米管场效应管中电子迁移率可以达到100000 cm/(v·s),是硅基场效应管的100倍左右。

事实显然不是这样,现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因,有主频难以继续提高的原因,也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

Max教授在另一篇论文中也承认“碳纳米管容易改变,这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。”

而电子迁移率主要影响到晶体管的两个性能:一是电导率,迁移率越大,电阻率越小,通过相同电流时,功耗越小,电流承载能力就越大。二是影响器件的工作频率,提高载流子迁移率,可以降低功耗,提高器件的电流承载能力,同时提高晶体管的开关转换速度。

以主频的提高为例,130nm工艺之后,芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难,目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

说取代传统硅芯片为时尚早

这只是碳纳米管众多优越性质中的一个,它还具有很多其他优异的性能,例如导电性能、导热性能等等。但是管中窥豹,可见一斑,相比于硅基材料,它的性能确实非常优越,因此也成为了碳基材料的热门候选。

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2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目,一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个,另一方面是因为“电子复兴计划”宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

2石墨烯

(随之制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升)

笔者认为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

石墨烯

可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题,何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上,半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成,并构成了100万个气味传感器。也就是说,这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了,而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,厚度只有一个碳原子。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中用胶带粘出了石墨烯。

今天引入的新材料,如果不能解决上面这些关键问题,面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小,所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

在此之前,石墨烯这种结构被认为不能稳定存在,一经发现,立刻引起了研究的热潮。不过,我们在这里主要关注石墨烯在电子学中的应用。

Max教授在他近期的论文中宣称:"该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度"。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格,在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。

和碳纳米管类似,室温下石墨烯同样具有远高于商用硅片的高载流子迁移率,并且噪声很低,受温度和掺杂效应的影响很小,非常适合用于晶体管的制造。

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的,构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的,而是"生长"出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

石墨烯电子的费米速度和很低的接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间,使得由石墨烯制成的纳电子器件能够有超高频率的操作响应。

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除此之外,它还有许多优越的力学性质,比如在物理方面的弹性模量可达1 tpa,自身的强度是130 gpa,因此非常适合用于设备制造。现在,石墨烯的场效应晶体管已经能用标准化的光刻方法制备。

这种方式在一定程度上有其优越的一面,另一方面,如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

除了在用于制造晶体管,石墨烯还有很多其他的优越性质,使它能够在电子学其他领域大展拳脚,例如它良好的透光率和导电性,可以作为透明电极用于发光二极管,大大减少透明电极薄膜的厚度等等。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说:"这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。"而这台计算机仅仅只有178个晶体管,同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

简而言之,碳基材料真看起来非常优秀,但为什么目前仍然没有大规模应用呢?一方面是目前硅基材料还没有达到极限,研发和更换生产线需要各个公司投入大量成本;另一方面,它本身在应用方面也面临很多挑战,比如各种材料的制备,能隙控制,载流子浓度控制等等。但针对这些问题,世界各地的科研团队都在努力探索,并给出了初步的解决方法,在我们的有生之年能够看到碳基材料应用于我们的日常生活还是非常有希望的。

Max教授在另一篇论文中也承认"碳纳米管(加工中)容易改变,这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。"

参考文献

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[1] 彭练矛. 2020年之后的电子学:碳基电子学的机遇和挑战[c]// 中国真空学会2012学术年会论文摘要集. 2012.

说取代传统硅芯片为时尚早

[2] 廖志宇. 单层石墨烯在场效应晶体管中的应用研究[d]. 湖南大学, 2011.

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目,一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个,另一方面是因为"电子复兴计划"宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

[3]

笔者认为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

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之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成,并构成了100万个气味传感器。也就是说,这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了,而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格,在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。返回搜狐,查看更多

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