让数字高速路由平面变立体

——科学家将逻辑与存储芯片结合构建“多层”芯片

作者：记者 常丽君

2014年12月18日 来源：科技日报　　

　　斯坦福大学工程师开发出的四层“多层芯片”原型。底层和顶层是逻辑晶体管，中间是两层存储芯片层。垂直的管子是纳米级的电子“电梯”，连接逻辑层和存储层，让它们能一起工作解决问题。

　　左边是目前的单层电路卡，逻辑与存储芯片分隔在不同区，通过电线连接。就像城市街道，由于数据在逻辑区和存储区来来回回地传输，常会产生拥堵。右边是多层的逻辑芯片和存储芯片，形成一种“摩天大楼”式的芯片，数据通过纳米“电梯”实现立体传输，避免了拥堵。

　　几十年来，“更小、更快、更便宜”已成为推动电子设备发展的魔咒。最近，美国斯坦福大学工程师又给它增加了第四个——更高。在12月15日至17日美国旧金山召开的电气和电子工程师协会（IEEE）国际电子设备大会上，斯坦福大学研究小组介绍了怎样构建一种“多层”芯片，能大大提高目前电路卡上单层的逻辑和存储芯片的性能。

　　电路卡就像繁忙的城市，在存储芯片上存储数据，通过逻辑芯片计算。当计算机繁忙时，连接逻辑芯片与存储芯片的线路就会发生“数字交通拥堵”，而“多层”芯片能终结这种拥堵。

　　这种新方案能在存储层上叠加逻辑层，紧密且互相连接，通过数千个纳米级的电子“电梯”在各层之间运输数据，将比目前单层逻辑芯片和存储芯片间的连线速度更快，耗电更少。

　　三项突破

　　这项研究由斯坦福大学电学工程与计算机科学教授萨博哈西斯·米特拉和H-S·菲利普·翁等人负责。据研究小组介绍，他们的创新研究取得了三项突破：第一是制造晶体管的新技术，晶体管是微小的门，通过开关电流来代表1和0；第二是新型的计算机存储器，具有多层结构；第三是把制造逻辑门和存储器的新技术整合在一起，成为多层结构的新技术，这与以往的堆叠芯片完全不同。

　　“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。

　　RRAM比目前的存储器耗电更少，在移动设备上使用能延长电池寿命。这种新的存储技术也是制造多层芯片的关键，因为RRAM能以比硅存储器更低的温度制造。

　　多层互连

　　会议上展示的是斯坦福大学电学工程研究生马克斯·修雷克和托尼·吴制造的四层芯片。制造RRAM和CNT晶体管层都是以低热工艺为基础，所以能在每层CNT逻辑芯片上直接制造存储芯片层，在制造每层存储芯片层时，能钻数千个与下面逻辑层互相连通的小孔。在传统的电路卡上，就是这种多层互连让多层芯片能避免“交通拥堵”。

　　如果用传统的硅基逻辑和存储芯片，无法实现多层间的紧密互连。因为制造硅基存储器要花太多热量，大约要1000℃，这会让下面的逻辑芯片融化。

　　以往也有人研究堆叠式硅芯片，这会节约空间，但无法避免数据“交通拥堵”。因为每层芯片都要独立制造，并用电线连接——这仍然倾向于拥堵，与研究小组设计的“纳米电梯”是完全不同的。