“这项研究还在早期阶段,但我们的设计和制造技术是可升级的。”米特拉说,“随着今后的发展,这种结构将会使计算机性能大大提高,超过现有任何计算机。”
翁说,这种芯片的原型已在去年的国际电子器件大会(IEDM)上展出过,显示了怎样把逻辑和存储芯片结合到一种能大规模生产的三维结构上。可以说,这改变了芯片的范式。“有了这种新结构,电子制造业会把你手中的计算机变成强大的超级计算机。”
碳纳米管造逻辑层
工程师几十年前就已造出了硅芯片。但无论手机还是平板电脑都会发热,放出热量的大小也能显示其内部问题。即使把它们关上,有时也会有电从硅晶体管中泄露。用户会感觉到热,对系统本身来说,这种泄露也会耗尽电池,浪费电力。研究人员正致力于解决这一难题,比如用碳纳米管(CNT)晶体管。
碳纳米管非常纤细,20亿根才有一根头发粗细,所以漏电要比硅少得多。在米特拉和翁的第二篇会议论文中,介绍了他们是怎样制造性能最高的碳纳米管晶体管的。用以往的生产碳纳米管的标准工艺,造出的纳米管密度不够致密。他们攻克了这一难题,开发出一种灵活的技术,能把足够多的碳纳米管打包在足够小的面积里,以制造有用的芯片。
他们先在圆形石英晶片上用标准方法生产碳纳米管,然后增加厚度到一定量,再用黏合法把整个碳纳米管层从石英介质上剥离,放到硅晶片上。这种硅晶片就是他们多层芯片的基础。
研究人员先要制造密度足够大的碳纳米管层,才能制造出高性能的逻辑设备。他们按这种工艺重复13次,在石英晶片上生长了一大堆碳纳米管,然后用转移技术剥离,把它们沉淀在硅晶片上。用这种简捷的技术来固定,他们造出了一些迄今密度最高、性能最高的碳纳米管。他们还证明了,在制造多层芯片时,能在超过一个逻辑层上实施这种技术。
“三明治式”存储器
造出高性能的CNT晶体管层只是多层芯片的一部分,在每层CNT晶体管层上直接制作出存储芯片也同样重要。翁是制造这种存储器的领导者。
翁设计的新型存储器与目前的存储器完全不同,不是以硅为基础,而是用氮化钛、二氧化铪和铂,构成一种金属—氧化物—金属的夹层结构,从一个方向通电会产生电阻,而反向通电则能导电。从电阻到导电状态的改变,就是这种新存储技术形成数字0和1的方式,所以它的名字就叫做电阻式随机存取存储器或RRAM。