美國重金投資3D晶元項目！MIT＋美獨資公司攻關，旨在繼續領先中國

科技 08-20

問耕發自凹非寺

量子位出品 | 公眾號 QbitAI

整整一周之前，一個重大項目在美國悄然啟動。

這個項目是美國「電子復興計劃」（ERI）中的絕對核心。ERI被外界稱為美國第二次電子革命，承載著延續美國榮光的重任。

在ERI首批7500萬美元撥款中，這個項目獨得6100萬美元，成為最大贏家。足見ERI計劃制定機構——美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的重視程度。美國不單要遏制對手，還要扶持自家。

這個項目的目標，意在構建下一代晶元：3D晶元。

3D晶元能以更低的成本，實現50倍的計算性能提升，據稱能以90nm工藝實現7nm晶元的性能。這被認為對美軍具有重要意義，同時也被美國媒體認為是打壓中國晶元的重要一步。

參與這一項目的核心人士指出，如果美國不繼續採取行動，為今後十年早做準備，就會在晶元領域失去核心競爭力。有研究公司指出：「美國和歐洲都非常擔心中國在晶元戰場上佔據主導地位。」

更多關於這個項目的細節正逐漸浮出水面。

MIT的熱門研究

這個項目的核心人物，是麻省理工（MIT）的明星教授Max Shulaker。他2016年加入MIT，此前本碩博就讀於斯坦福大學。

2013年，博士在讀的Shulaker研發出全球首台碳納米晶體管計算機，並成功測試運行。這一突破意味著，人類的計算設備有望擺脫對硅晶體的依賴。

這篇碳納米晶體管計算機的論文，登上了當年的《自然》雜誌，也是目前Shulaker被引用最多的一篇論文。在碳納米晶體管基礎上，2017年Max Shulaker又取得新的突破：3D晶元。這篇論文，同樣被《自然》刊發。

簡單解釋一下3D晶元的意義。

傳統的計算機由不同的晶元連接而成，隨著數據量日益增加，計算晶元和存儲晶元之間的通信「瓶頸」越來越明顯。而且基於硅晶體管的晶元，性能提升已隨摩爾定律放緩，且晶元上騰挪的空間有限。

而石墨烯製造的碳納米晶體管（CNFET）+電阻隨機存儲單元（RRAM），可以彼此垂直構建，形成具有邏輯和存儲器交錯層的3D晶元結構，有效拓展了數據傳輸的瓶頸。

基於硅晶體管的晶元，無法構建類似的3D結構，因為構建新電路層的1000℃高溫會破壞底層電路。而碳納米晶體管的構建可以在200℃以下完成。

除了計算和存儲晶元合一，3D晶元還可以把碳納米晶體管構建的感測晶元也堆疊進去，形成一個更加強大的單體晶元。

這種晶元的結構，特別適合深度神經網路計算。

3D晶元可以用在自主無人機、面部識別等各種領域，因而也備受美國軍方的關注。既關乎民生經濟，又關乎國防安全。

除了Max Shulaker，參與這個項目的主要研究人員還包括MIT工程學院院長Anantha Chandrakasan等。

在「電子復興計劃」之前，DARPA已經通過其他項目，投資支持3D晶元的研究。這次不過是繼續加大了資金支持力度。

美國晶元廠SkyWater

誰來負責這個項目落地？

SkyWater，直譯成中文，就是天水公司。

但坦白講，你可能沒聽過這個名字。

畢竟這是一家去年才成立的公司，從美國晶元製造商賽普拉斯（Cypress）拆分而成。天水現任總裁Thomas Sonderman是一位晶元行業的資深人士，曾經供職於AMD和晶圓代工廠格羅方德。

和自己設計晶元的英特爾不同，天水是一家晶元代工廠。目前業務主要來自賽普拉斯，年收入為數億美元。

SkyWater位於明尼蘇達的工廠

在DARPA資金的扶持下，天水將與MIT和斯坦福大學合作，把3D晶元的研發構想，在未來三年中變成可以大規模工業生產的現實。

如果天水成功，晶元製造方式將徹底改變。這直接威脅著目前的傳統、2D晶元公司，例如三星、格羅方德、台積電等。

然而與這些同行相比，天水目前的晶元製造技術落後至少十年。現在天水的生產工藝還停留在90nm、130nm的水平，而台積電已經準備在2022年量產3nm晶元。

為什麼天水會入選？

因為這是為數不多的，完全美國獨資控制的晶元代工廠。

上面提到的另一家美國晶元代工廠格羅方德，實際上背後是阿布扎比政府基金Mubadala。

「我們是一家美國公司，」天水總裁Sonderman強調說。「不會有任何知識產權問題，這非常有利於我們與DARPA和政府之間的互動。」

顯然DARPA的計劃極大加持了天水。3D晶元被認為能帶來50倍的計算性能提升，甚至有望實現數量級的突破。而且，這種架構能夠降低晶元成本，以90nm生產的3D晶元，能實現7nm晶元的性能。這些都是天水未來可能握在手中的籌碼。

通常只有蘋果、高通這樣的巨頭，才能讓台積電、格羅方德等製造商幫忙代工最先進的定製晶元，訂單量都得在數百萬以上。但定製晶元的需求，並非巨頭才有，而且需求量正在不斷增長。

成本更低的3D晶元製造技術，已經讓天水憧憬未來能服務更多小規模的公司，並從高端亞洲晶元代工廠手裡分一杯羹。

未來爭奪戰

然而3D晶元的製造，並非坦途一條。

多年以來，如何使用碳納米晶體管批量生產晶元，一直是半導體工業界努力要攻克的挑戰。鐵，既是用於生長碳納米管的催化劑，也是一種雜質。它會污染用於晶元製造的工具，這些工具需要很高的清潔度。

一旦工程障礙清除，碳納米晶體管製造的晶元，就能以比傳統硅晶體管更低的功率運行。「碳納米管過去一直存在很多固有缺陷，多年來我們一直在慢慢地解決問題，現在已經可以用於構建大型系統。」Max Shulaker說。

1991年，現任日本學士院院士、中國科學院外籍院士飯島澄男，在《自然》雜誌上宣布觀察到碳納米管，由此開拓出一個全新的領域。

隨著摩爾定律的終結，硅晶體管即將迎來物理極限。而碳納米晶體管被認為是晶元行業的未來。2016年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室採用碳納米管複合材料，將晶體管製程縮減到了1nm。

很多機構都在研究碳納米晶體管。

2001年成立的Nantero，準備在一種新型存儲晶元中使用碳納米管，這種產品被稱作NRAM。Nantero在官網中指出，碳納米管直徑僅為頭髮絲的五萬分之一，但強度是鋼的50倍，密度為鋁的一半，導電性優於任何已知材料。

去年1月，《科學》雜誌刊登了我國在碳納米管方面的突破：北京大學彭練矛和張志勇課題組，首次製備出5納米柵長的高性能碳納米晶體管，並證明其性能超越同等尺寸的硅基CMOS（互補金屬—氧化物—半導體）場效應晶體管，將晶體管性能推至理論極限。

這篇論文第一作者是北京大學信息科學技術學院博士後邱晨光，張志勇教授和彭練矛教授為共同通訊作者。

《北京大學校報》此前對彭練矛有一篇專題報道，其中提到：

「我們大概從2001年開始就得到科技部『973計劃』的支持。北大有一個很大的團隊都在做這個事情，包括化學學院、物理學院和信息學院。」國家對彭練矛團隊的碳基納米電子學項目一直很重視。2006年，第一期「973」計劃結束。在國家重大基礎研究發展計劃「納米研究」框架下，彭練矛團隊得到了進一步研究碳基器件方面的支持，2011年又得到了碳基集成電路方面的支持。在國家的幫助下，彭練矛團隊已經製備出了世界上性能最好的碳納米管晶體管。就單個器件來說，其速度要比同樣尺寸的硅基器件快五至六倍，功耗比硅基器件的十分之上還要低。

此外，特殊的電子結構和良好的熱穩定性也使碳納米管晶體管的製備過程不需要通過摻雜來控制電學性能，可以適應很高和很低的溫度。傳統的晶元在高溫時，裡面的雜質會擴散，從而給晶元帶來不可恢復的損失。因此，碳納米材料在特殊環境中，如極低溫或航天條件下優勢明顯。此外，硅基材料本身是間接帶隙材料，這限制了它在光電方面的應用；而碳納米管是一種直接帶隙材料，具有良好的光學性能。