新型3D芯片 大幅提升计算机处理能力

01 8月 2017

一项新的研究表示,一种结合两种尖端纳米技术的新型3D电脑芯片,可以明显改善处理器的速度和能效。

今天,我们现有的主流芯片将存储器(存储数据)和逻辑电路(处理数据)分离,数据在这两个组件之间来回穿梭以进行操作。但是,由于存储器和逻辑电路之间的连接数量有限,这正在成为一个很大的瓶颈,特别是现在计算机需要处理的数据量不断增加。

以前,这个限制被摩尔定律的影响所掩盖,摩尔定律表明,芯片的数量可以每两年增加一倍,性能提高一倍。但由于制造芯片的一些物理限制,这一趋势已经放缓。

来自斯坦福大学和马萨诸塞理工学院的工程师设计的新原型芯片,通过将存储器和逻辑电路分层叠加而不是并排,来解决这两个问题。

研究人员说,这不仅有效地利用了空间,而且大大增加了组件间连接的表面积。常规逻辑电路在每个边缘上将具有有限数量的引脚,通过该引脚传输数据;相比之下,研究人员并不局限于使用边缘,并且能够将从逻辑层运行的垂直导线密集地包装到内存层。

斯坦福大学电气工程与计算机科学系教授SubhasishMitra表示:"以前,芯片有单独的内存和计算,一个芯片几乎就像两个大城市,但是他们之间的桥梁很少。现在,我们并没有把这两个城市结合在一起,我们建立了更多的桥梁,因此交通可以更有效地进行。"

除此之外,研究人员还使用了由碳纳米管晶体管构成的逻辑电路,以及称为电阻随机存取存储器(RRAM)的新兴技术,两者都比硅技术更节能。这是重要的,因为运行数据中心所需的巨大能源是技术公司面临的另一个主要挑战。

研究人员表示,虽然这两种新型纳米技术都具有优于传统硅基技术的固有优势,但它们也是新芯片3D架构的组成部分。

研究人员说,今天的芯片保持2D结构的原因,是因为在芯片上制造硅晶体需要高于1800华氏度(1000摄氏度)的温度,这样就不可能将硅电路叠加在一起而不会损坏底层。。

但是,碳纳米管晶体管和RRAM都是在比392华氏度(200摄氏度)的低温下制造的,因此它们可以很容易地分层在硅上,而不会损坏底层的电路。他们说,这也使研究人员的方法与目前的芯片制造技术相兼容。

Mitra表示,由于顶层将远离芯片底部的散热片,因此堆叠在彼此之上的许多层可能会导致过热。但他补充说,这个问题在设计上应该比较简单,而且新技术的能源效率提高意味着发热量就会减少。

为了展示其设计的优势,该团队通过在芯片顶部添加另一层基于碳纳米管的传感器,构建了原型气体检测器。垂直整合意味着这些传感器中的每一个都直接连接到一个RRAM单元,大大提高了数据处理速率。

然后将该数据转移到逻辑层,该层实施机器学习算法,然后可以区分不同的酒的品种。

虽然这只是一个示范,Mitra说,芯片是非常多才多艺的,特别适合于深层神经网络方法支撑当前的人工智能技术。

加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学教授JanRabaey没有参与研究,但他对这些研究表示赞许。

"这些结构可能尤其适合于替代以学习为主的计算范例,例如脑启发系统和深刻的神经网络,这种方法肯定是在这个方向上伟大的第一步,"他告诉MITNews。

这项新研究7月5日在《自然》杂志上发表。

来源:慧聪电子网

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