摩爾定律放緩 石墨烯3D晶元能延續美半導體榮光

自從特朗普把"美國優先"樹立為美國政府制定政策的標準以來，美國的各個產業部門都應景地湧現出"使美國再次偉大"的方案和計劃來，其中自然少不了電子行業。美國國防高級研究計劃局（DARPA）作為美國軍用技術研究主要管理部門適時地啟動了電子復興計劃。

該計劃旨在團結美國的產業界和學術界，以重振美國略顯頹勢的晶元產業。因其宣稱將改變微電子行業的生產方式，所以有的媒體也鼓吹美國的電子復興計劃將引發第二次電子革命。

美國的這一計劃分為三個部分：

一類關乎設計，包括：電子智能資源（IDEA）和先進開源硬體（POSH），主要涉及到降低設計成本的問題。

一類關乎計算機體系結構，包括：軟體定義硬體（SDH）和區域片上系統（DSSoC）,主要關注硬體與軟體之間獨立性和兼容性的問題。

最後一類關注整合材料的問題，即製造晶元材料的整合問題，包括3D片上系統（3dSoC）和新計算基礎需求分析（FRANC）。

第一批入圍該項目資助的有來自於全美國的43個團隊，其中來自麻省理工學院Max Shulaker團隊獨得6100萬美元位列第一，而這一數字也遠高於同為研究3DSoC的喬治亞理工學院團隊的310萬美元。目前該團隊主要的研究內容是將石墨烯材料用於製作碳納米晶體管，並構造出3D晶元來。據稱該團隊的研究內容將有望以更低的成本實現50倍計算性能的提升。

（該團隊在3DSoC分項中獲得了絕大多數贊助）

大投資、新材料加上號稱數量級的性能提升為這支石墨烯3D晶元團隊賺足了眼球。國內也有不少公眾號轉發了這一消息，有的更將其稱之為"美國電子復興計劃中的絕對核心"，並稱該類晶元將在人工智慧領域大顯身手。那麼我們不禁要問，石墨烯3D晶元是什麼？真的有這樣的威力嗎？

此次的石墨烯3D晶元並非完全由石墨烯構成

負責此次3D晶元項目的是麻省理工學院的明星教授Max Shulaker，Max教授早在斯坦福大學就讀博士時就有驚人的理論成果。他所在的團隊開發出了世界上第一台基於碳納米晶體管技術的計算機，並將成果公布在著名的《自然》雜誌上。

（Max Shulaker教授像）

2017年Max教授再次於《自然》雜誌發文提出單晶元上三維集成的計算和存儲模型，也是在這篇文章中產生了石墨烯製造的碳納米管3D晶元這一概念。

由於Max教授2013年的輝煌過往，幾乎國內所有的報道都把此處的3DSoC當作是完全的石墨烯晶元，而且把Max 2017年發表的論文視為其2013年的那篇論文的發展和延續，而忽略了二者存在的明顯區別。

2013年的那個碳納米晶體計算機是完全意義上的純碳納米技術計算機，其主要內容是探索用新材料取代硅做新型電子設備的材料，而最近發表於自然雜誌的石墨烯3D晶元則是試圖用石墨烯材料參與到傳統硅晶元的構建中來，兩者的思路是不盡相同的。

（論文配圖可以明顯看出不是純石墨烯晶元）

該教授2017年發表在《自然》雜誌論文中報告的晶元，擁著四個集成電路層，並擁有5個子系統。其中負責實驗樣品蒸汽數據採集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構建的，而電阻隨機存儲單元（RRAM）和介面電路是由硅晶體管構建的。毫無疑問，這是一個組合型的氣味探測晶元，而不僅僅是碳納米晶體管構成的。

石墨烯晶元還存在很多問題

之所以人們會想用石墨烯以取代現有的硅半導體作為晶元的材料，用Max教授的2013年的話說就是："與傳統晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導性也更強，並且能夠支持快速開關，因此其性能和能耗表現也遠遠好於傳統硅材料"。

換言之就是說，石墨烯具有硅所不具備的更優良的力學、化學和電學性能。不過這些優勢真的是電子工業所需要的嗎？近幾年來，作為計算機核心的CPU的單核性能不再像過去一樣大幅提高的主要原因真的是因為硅半導體材料的力學、化學和電學性能不行嗎？

事實顯然不是這樣，現今CPU綜合性能上不去有複雜度太大的原因，有主頻難以繼續提高的原因，也有晶元功耗障礙的原因和帶寬障礙的原因。這些原因都不是因為硅半導體本身的材料問題造成的。

以主頻的提高為例，130nm工藝之後，晶元電路延遲隨晶體管縮小的趨勢越來越弱。伴隨而來的就是主頻的提升越來越難，目前制約主頻的主要因素已經成為連線時延而非晶體管的翻轉速度。

（隨之製程的減小，門延遲降低而連線延遲上升）

可見此時引入新的材料並不能解決電子工業面臨的問題，何況以石墨烯構建晶元還面臨著與舊生態不兼容、加工困難的問題。事實上，半導體電子管誕生初期就有過是不是應該用功耗更低的鍺來做半導體的基材的討論。最後因為成本以及硅電路過去的積累最終使產業界放棄了這一打算。

今天引入的新材料，如果不能解決上面這些關鍵問題，面對的壁壘比當年的鍺半導體材料只大不小，所以Max最近的研究開始向石墨烯輔助硅轉變。

Max教授在他近期的論文中宣稱："該晶元的RRAM和碳納米晶體管在200度下製造，而傳統的工藝需要1000度"。低溫有助於大大增加集成電路層之間的縱向聯繫，按該論文的說法，石墨烯3D晶元的縱向聯繫比傳統方式增加了1000倍。而這種聯繫有助於解決大型集成電路元件中帶寬障礙的問題。

這種溫度上的差異是由石墨烯材料與硅半導體加工方式不同造成的，構建晶元的晶體管並非是蝕刻加工的，而是"生長"出來的。石墨烯3D晶元製造靠的是化學而非物理作用。

這種方式在一定程度上有其優越的一面，另一方面，如何大規模的、均勻的、同樣大小的生長碳納米晶體管也是令人頭疼的問題。

2013年全球首台碳納米晶體管計算機誕生時Max Shulaker教授說："這是人類利用碳納米管生產的最複雜的電子設備。"而這台計算機僅僅只有178個晶體管，同時只能運行支持計數和排列等簡單功能的操作系統。這與當時的硅半導體計算機存在數千萬倍的差距。

Max教授在另一篇論文中也承認"碳納米管（加工中）容易改變，這會降低電路產量, 降低電路的抗干擾能力, 並嚴重降低其能源和速度效益。為了克服這一突出的挑戰, 需要探索和優化碳納米管處理方案和 CNFET 電路設計。"

說取代傳統硅晶元為時尚早

2017年這次Max教授的研究成果之所以受人矚目，一方面是因為晶元中集成的碳納米晶體管數極大地增加到200多萬個，另一方面是因為"電子復興計劃"宣稱該團隊的成果有望以更低的成本實現50倍的性能提升。

筆者認為，現在說石墨烯3D晶元取代傳統硅晶元還有許多困難，該團隊的宣傳無疑存在相當的水分。

之所以這樣說是因為該團隊並未解決生產石墨烯晶元帶來的良品率問題。所謂200萬個碳納米晶體管由計算、輸入輸出和採集系統組成，並構成了100萬個氣味感測器。也就是說，這些晶體管幾乎全部用於製作氣味感測器了，而氣味感測器的容錯性是非常強的。100萬個感測器中即使損壞幾萬個也不會對晶元產生毀滅性的影響。

這樣的晶元能否證明碳納米晶體管生產的穩定性和可靠性是值得懷疑的。

而該團隊確實在宣傳上也非常喜歡浮誇的風格，在論文中動輒宣稱比現有的方法提升若干倍。在一篇討論碳納米晶體管設計中的文章中甚至宣稱比現有的方案有了至少100倍的提升。因此所謂50倍的性能提高也是非常值得懷疑的。

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