數(shù)據(jù)泛濫，新的3-D芯片來幫忙

隨著嵌入式智能技術(shù)正在越來越多的領(lǐng)域進(jìn)入生活，從自主駕駛到個性化醫(yī)療領(lǐng)域正在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。但是，隨著數(shù)據(jù)的泛濫達(dá)到很大的程度，計算機(jī)芯片將其處理成有用的信息的能力正在停滯。

據(jù)報道：近日，斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)建立了一個新的芯片來克服這個障礙。研究結(jié)果在外媒的“自然”雜志上發(fā)表，主要作者是麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機(jī)科學(xué)助理教授馬克斯·舒爾克(Max Shulaker)，Shulaker與H.-S，在該校擔(dān)任博士生。該團(tuán)隊還包括來自斯坦福大學(xué)的Roger Howe教授和Krishna Saraswat教授。

今天的計算機(jī)是由不同的芯片拼湊組裝在一起。那么用于計算的芯片和用于數(shù)據(jù)存儲的單獨芯片兩者之間的連接是有限的。隨著應(yīng)用程序分析日益增加的大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在不同芯片之間移動的有限速率將創(chuàng)造一個關(guān)鍵的通信“瓶頸”。芯片上的空間有限，沒有足夠的空間將它們放在旁邊，即使它們已經(jīng)小型化(這是一種稱為摩爾定律的現(xiàn)象)。

更糟糕的是，硅片制成的晶體管已經(jīng)不再像以往那樣更加出色。

新的原型芯片是今天芯片的根本變化。它使用多種納米技術(shù)，以及新的計算機(jī)架構(gòu)來扭轉(zhuǎn)這兩種趨勢。

該芯片不是依賴于硅基器件，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(jī)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(zhì)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(yīng)晶體管，使得最新型納米電子系統(tǒng)成為新興的納米技術(shù)。

RRAM和碳納米管彼此垂直地構(gòu)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(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過在這些層之間插入，這種3-D架構(gòu)有望解決通信瓶頸。

然而，根據(jù)本文的主要作者，Max Shulaker(麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的核心成員)，現(xiàn)有的基于硅的技術(shù)不可能采用這種架構(gòu)。“現(xiàn)在的電路是2-D，因為建立傳統(tǒng)的硅晶體管涉及超過1000攝氏度的極高溫度，”Shulaker說。“如果然后在上面構(gòu)建第二層硅電路，那么高溫會損壞電路的底層。”

這項工作的關(guān)鍵是碳納米管電路和RRAM存儲器可以在低于200℃的低溫下制造。“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(tǒng)提供了幾個好處。

·器件更好：與現(xiàn)在的硅制成的邏輯相比，碳納米管制成的邏輯可以比能量效率高出一個數(shù)量級，同樣的，與DRAM相比，RRAM可以更加密集，更快速，更節(jié)能。指的是稱為動態(tài)隨機(jī)存取存儲器的常規(guī)存儲器。

·除了改進(jìn)的設(shè)備之外，3-D集成可以解決系統(tǒng)中的另一個關(guān)鍵問題：芯片之間和芯片之間的互連。

·新的三維計算機(jī)架構(gòu)提供了密集和細(xì)粒度的計算和數(shù)據(jù)存儲集成，大大克服了芯片之間移動數(shù)據(jù)的瓶頸，因此，該芯片能夠存儲大量數(shù)據(jù)，將龐大雜亂的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息。

為了展示該技術(shù)的潛力，研究人員利用碳納米管的能力也可以作為傳感器。在芯片的頂層，他們放置了超過100萬個基于碳納米管的傳感器，用于檢測和分類環(huán)境氣體。

由于傳感，數(shù)據(jù)存儲和計算的分層，芯片能夠并行測量每個傳感器，然后直接寫入其存儲器，產(chǎn)生巨大的帶寬。