3D微芯片比现有芯片快1000倍

科学家发明了一种开发和创建计算机微芯片的新方法，与现有的CPU相比，该方法可以显着地将数据处理至少加速1000倍。该方法基于一种称为碳纳米管的材料，可让您构建三个维度的微芯片。



据芯片设计团队成员，加利福尼亚州斯坦福大学电气工程博士学位候选人马克斯·舒拉克（Max Shulaker）称，这样的3D项目极大地节省了系统空间并提高了数据处理速度。之所以能够实现这一目标，是因为科学家拥有一个可以存储所有数据并在微型空间内压缩处理器数量的内存。

减小两个元素之间的距离可以大大加快计算机处理命令的时间。


Max Schalaker摄。

慢一点

在过去的50年中，计算机系统的计算能力一直在不断提高。这主要是由于能够连续减少执行逻辑运算的硅晶体管和三路开关的能力。

根据摩尔定律（Gordon E. Moore在1965年制定的一项总规则），芯片上的硅晶体管数量必须每两年增加一倍。的确如此，要进一步遵循该规则，您需要将纤巧的硅晶体管减小到5纳米。但是这里出现了一个问题-硅的极限是7纳米（相比之下，人发的大小平均约为100,000纳米）。随后的缩小将导致以下事实：粒子的量子效应会破坏其功能。因此，摩尔定律将在未来十年内达到其逻辑上的终结。另外，芯片上晶体管数量的不断增加并不是提高系统性能的唯一方法。


现代微电路上的晶体管。（电子显微镜拍摄的照片。）

沟通问题

据Shalaker称，内存是计算机处理速度的主要障碍之一。

处理大量数据需要请求尚未缓存的以前未知的数据。在这种情况下，完成新请求将花费大量时间。对信息的要求以处理特定命令将首先进入处理器本身的内部缓存。此外，在搜索了所有级别的缓存后，答案将是没有命中，并且内核将向RAM发送请求。再次搜索RAM之后，答案是什么也没找到。只有这样，请求才会发送到HDD或SSD驱动器。信号必须穿过相对较粗的（对于电子而言）导线，以克服恒定的电阻。您必须承认该路径太长，并且在这段时间内内核将已经设法完成多次处理。

如果您执行此请求而不是PC，那么将有96％的时间在等待。还值得记住的是，即使CPU等待指令到达，它仍然会消耗电力。另一种解决方案是将CPU和内存组合在同一块板上。将这两个组件放在同一板上根本行不通-硅晶片需要在1000 ^° C的温度下加热，这会导致固态驱动器或硬盘驱动器中的金属元素熔化。

碳纳米管

为了解决温差问题，斯坦福大学团队将注意力转向了大约10年前发现的一维碳材料-碳纳米管。这些是直径为一到几十纳米的碳原子的扩展圆柱形网状结构。低温处理能力已成为选择硅替代材料的关键。加工温度只有200 ^的 S.

CNT（碳纳米管）具有导电性的特性，在硅晶体管相等，但是它们的电性质依赖于捻六边形石墨平面的角度。因此，科学家能够将电导率提高5个数量级。


纳米管的三个例子。

如果我们在相同条件下使用相同的架构和器件概念将CNT与硅晶体管进行比较，那么纳米管的性能将大大提高，而能耗却更低。

但是，纳米管会随机增长，更像是在杯子里煮的意大利面条。自然，此选项不适用于微电路的生产。研究人员已经开发出一种在狭窄的凹槽中生长CNT的方法，可以使它们有针对性地生长。但这并不能解决所有问题。尽管99.5％的纳米管有序地生长，但5％的固执地拒绝沿计划的路线生长。摆脱这种情况的出路有点出乎意料。有缺陷的CNT区域中的孔可使芯片完全按预期工作，从而抵消了纳米管的生长缺陷。


纳米管生长。 （由电子显微镜拍摄的照片。）

另一个新出现的问题预示着整个事业的失败。尽管大多数生长的管的半导电性是硅，但其余的具有普通金属的导电性。不幸的是，科学家们不知所措，无法预测哪根试管会出现故障。这几个碳纳米管可能会破坏整个芯片。但是，这里找到了解决方案-Shalaker和他的同事只是在芯片上施加了巨大的电压脉冲。因此，导体充当保险丝并在高压作用下烧毁。并且只有半导体保留在芯片上。

这个团队已经创建了基于CNT的计算机，但是它的速度慢且笨重，晶体管数量相对较少。该设备的处理器的性能与1971年发布的Intel 4004相当。第一个基于纳米管的处理器包含178个晶体管；它们的大约长度在10到200纳米之间。


Max Shalaker在他手中是一个以前制造的晶片，该晶片带有基于硅纳米管的芯片。

现在，由Shalaker领导的研究人员创建了一个用于将内存与晶体管层堆叠在一起的系统，并将它们与微小的层相连。新的结构大大节省了请求时间，从而节省了团队的完整处理时间。比同等性能的同类系统快1000倍。该团队使用新架构创建了许多传感器板，可检测从红外光到环境中某些化学物质的所有物质。

之前，我写了一篇有关基于InGaAs的半导体形式的硅替代品的文章。这是碳纳米管形式的另一种。
您知道什么替代硅的材料，例如半导体？哪些适合未来的微芯片？

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN384565/