美國科學家將邏輯與存儲芯片結合構建“多層”芯片

　　斯坦福大學工程師開發出的四層“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，通過電線連接。就像城市街道，由于數據在邏輯區和存儲區來來回回地傳輸，常會產生擁堵。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，數據通過納米“電梯”實現立體傳輸，避免了擁堵。

　　幾十年來，“更小、更快、更便宜”已成為推動電子設備發展的魔咒。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會（IEEE）國際電子設備大會上，斯坦福大學研究小組介紹了怎樣構建一種“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據，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生“數字交通擁堵”，而“多層”芯片能終結這種擁堵。

　　這種新方案能在存儲層上疊加邏輯層，緊密且互相連接，通過數千個納米級的電子“電梯”在各層之間運輸數據，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。據研究小組介紹，他們的創新研究取得了三項突破：第一是制造晶體管的新技術，晶體管是微小的門，通過開關電流來代表1和0；第二是新型的計算機存儲器，具有多層結構；第三是把制造邏輯門和存儲器的新技術整合在一起，成為多層結構的新技術，這與以往的堆疊芯片完全不同。

　　“這項研究還在早期階段，但我們的設計和制造技術是可升級的。”米特拉說，“隨著今后的發展，這種結構將會使計算機性能大大提高，超過現有任何計算機。”

　　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合到一種能大規模生產的三維結構上。可以說，這改變了芯片的范式。“有了這種新結構，電子制造業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熱，放出熱量的大小也能顯示其內部問題。即使把它們關上，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，開發出一種靈活的技術，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。

　　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，然后用轉移技術剝離，把它們沉淀在硅晶片上。用這種簡捷的技術來固定，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。

　　“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導者。

　　翁設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，而是用氮化鈦、二氧化鉿和鉑，構成一種金屬—氧化物—金屬的夾層結構，從一個方向通電會產生電阻，而反向通電則能導電。從電阻到導電狀態的改變，就是這種新存儲技術形成數字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，在移動設備上使用能延長電池壽命。這種新的存儲技術也是制造多層芯片的關鍵，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，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，能鉆數千個與下面邏輯層互相連通的小孔。在傳統的電路卡上，就是這種多層互連讓多層芯片能避免“交通擁堵”。

　　如果用傳統的硅基邏輯和存儲芯片，無法實現多層間的緊密互連。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，這會節約空間，但無法避免數據“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，與研究小組設計的“納米電梯”是完全不同的。