MIT聯手斯坦福打造新型晶元，或提高計算機效率1000倍

編者按：在人們的印象里，計算機絕大部分時間都用在計算上。然而，事實並不是這樣的。其實，計算機中大約90%的執行時間和能量其實是花在了在處理器和存儲器之間轉移數據上。即使按摩爾定律一直發展下去，計算機的運行速度還是會受到「存儲」瓶頸的限制。

為此，麻省理工學院（MIT）和斯坦福大學（Stanford University）的研究人員聯合發明了一種新型電腦晶元，據研究人員稱，此種結構或可將目前計算機的能量效率和運行速度提高1000倍。該成果刊登在7月5日的《自然》期刊上。

如今的電腦是由多種晶元組合而成的。計算是一種晶元——由中央處理器（CPU）負責，數據存儲又是一種晶元——由內存條（RAM）負責。而這兩者之間的連接卻是有限的。隨著數據分析量越來越大，這兩者之間數據傳輸速度已經成為一個「通信瓶頸」。而由於硅晶元體積的限制，不論再怎麼變小，這兩者都無法共存於同一個晶元上。

而更糟糕的是，現代電腦晶元的基礎，即硅晶體管的進化速度早已沒有前幾十年那麼快了。

因此，為了克服這兩個障礙， MIT和斯坦福大學的研究人員選擇了一條截然不同的路。

這種新型晶元使用了多種納米技術，以及一個全新的計算機構架。首先，該晶元拋棄了傳統的硅，選擇使用由2D石墨烯捲成圓柱體形成的碳納米管作為基礎單元。此外，該晶元還選擇使用了可變電阻式內存（RRAM），一種通過控制介電質電阻來實現非揮發性存儲的內存。

在其設計的原型中，研究人員們將超過100萬個RRAM單元以及200萬個碳納米管場效應管融合在了一起，造成了目前世界上最複雜的納米電子系統。

由於晶元中的RRAM和碳納米管是相互豎著搭建在對方之上的，因此，這款晶元有著一層計算單元，一層存儲單元這種「多層夾心餅乾式」的3D結構。而由於每層之間都有著密集的線路，這種3D結構可以有效地解決「通信瓶頸」問題。

據本項研究的主要作者，MIT微系統技術實驗室核心成員之一的Max Shulaker介紹，這種結構根本無法用現有的硅技術實現。

「如今的電路是2D的，因為建造硅晶體管需要超過1000度的溫度，如果你在一層硅電路上面在建一層電路，這種溫度將會損壞下層電路，」Shulaker說道。而由於碳納米管和RRAM可以在200度以下的溫度進行生產，「這意味著我們可以在不損傷下層電路的前提下建造上層電路。」

那麼，這種3D晶元到底有何優勢呢？

該研究的作者之一，斯坦福大學電子工程教授H.-S. Philip Wong表示：「這種由碳納米管做成的邏輯單元比目前用硅做成的邏輯單元要節能十幾倍。同樣，RRAM比現有的DRAM（動態隨機存取存儲器）更密、更快、更節能。」

斯坦福大學的計算機科學家Subhasish Mitra說，「這款新的3D計算機框架為我們提供了計算與數據存儲單元之間密集又細緻的結合，因此，它可以在存儲大量數據的同時，在晶元內對這些數據進行處理，從中提取有用的信息」。他認為這可以將目前計算機的能量效率和運行速度提高1000倍。

為了驗證其性能，研究團隊製作了一個電子鼻（氣體感測器），它可以區分和確定多種常見氣味，如檸檬汁、外用酒精、伏特加、紅酒和啤酒。

據加州大學伯克利分校的電子工程與計算機科學教授Jan Rabaey表示，3D融合是可以讓摩爾定律持續下去的最有潛力的手段，因為它可以極大的提高每單位體積中計算單元的數量。（Jan Rabaey並沒有參與此研究）

「它將從根基引發一個完全不同的嶄新角度來思考計算機框架，開啟內存和邏輯親密共存的時代」，Rabaey說道，「這種結構可能尤其適用於基於學習的計算領域，比如類腦系統，以及深神經網路。而此項研究則向那個方向邁出了一大步。」

實際上，研究團隊已在碳納米管計算領域研究多年。而且他們相信，目前進行商業化應用的時機已經成熟。化學感測就可以作為碳納米管系統成功應用的一個先例。因為採用此工藝可同時製作多個感測器，即使一個感測器不工作了，那麼冗餘的感測器還將繼續工作以使得系統不至於失效。

該研究團隊下一個目標就是提高這項技術的那些基礎納米科技，並同時探索一種新的3D計算機框架。而Shulaker則需要與馬薩諸塞州的晶元公司AnalogDevices（亞德諾半導體公司）進行合作，開發該技術的新版本，使它可以在一個晶元上同時進行感測和數據處理的能力。

比如，該晶元可以用於感測患者口氣中的各種物質，來診斷疾病的病症。計算機的瓶頸問題是一個很大的問題，但隨著機器學習等應用更加廣泛，計算機的數據密度也在增加。研究人員認為這種新的結構設計未來有極具希望的應用。

「從超級計算機到手機，人們都享受這種技術帶來的便利。」Mitra說。

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