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本文來自《科技日報》，記者/劉霞。

硅計算機芯片從面世到現在已走過50多個春秋，正如一個邁入老年的人，硅芯片創新的步伐已明顯放緩。現在，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）“受命于危難之間”，開始著手解決這一問題。

據美國《科學》雜志官網報道，7月24日，DARPA宣布了一項總額7500萬美元的計劃，旨在通過提升包括碳納米管在內的新材料和新設計的基礎研究，重振芯片產業。在接下來的5年內，DARPA的這一項目每年都將增長到3億美元，總計15億美元，為學術界和產業界人士提供相關資助。

對此，美國卡耐基梅隆大學計算機科學政策專家埃里卡·福斯欣喜地表示：“到了必須進行這一步的關鍵時刻了。”

硅芯片正接近物理極限

1965年，英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾提出，芯片上可容納的晶體管數目，大約每18個月增加一倍——這就是我們所熟知的摩爾定律。

在隨后30年中，通過縮小芯片上元件的尺寸，芯片發展一直遵循著摩爾定律。然而進入21世紀，單純依靠縮小尺寸的做法已經明顯走到尾聲。

如果芯片縮小至2納米，那么單個晶體管將只有10個原子大小，如此小的晶體管，其可靠性很可能存在問題。而隨著晶體管的連接越來越緊密，另一個問題也凸顯出來——芯片功耗將越來越大。

麻省理工學院（MIT）電氣工程師馬克斯·蘇拉克說，此外，如今芯片的運行速度已經停滯不前，且每次推出的新一代芯片能效只能提高30%。

諾基亞貝爾實驗室的無線通訊專家格雷戈瑞·賴特指出，制造商正在接近硅的物理極限。電子被局限于僅100個原子寬的硅片內，迫使科學家需要采用復雜的設計來阻止電子泄漏而導致錯誤，“我們目前已經沒有多少改進空間，需要另辟蹊徑了”。

密歇根大學安娜堡分校計算機科學家瓦萊里婭·貝爾塔科表示，只有少數幾家公司能負擔得起耗資高達數十億美元的芯片制造工廠，這會扼殺這一曾經由小型創業公司主導的領域的創新。

福斯說，一些大公司開始為特定任務設計專用芯片，這極大地降低了他們為可以共享的基礎研究付費的動力。福斯及其同事的一項研究指出，1996年，有80家公司加入了位于北卡羅來納州的半導體研究社團，到2013年，這一數字減少為不到一半。

新材料、新架構受追捧

DARPA正努力填補這一空白，為包括蘇拉克在內的研究人員提供資助。蘇拉克正在使用由碳納米管制成的晶體管制造3D芯片，相比硅晶體管，碳納米管晶體管能夠更快更有效地開關。

目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片，以便將邏輯和存儲功能更緊密地結合在一起，從而加快處理速度。但由于在芯片層之間傳輸信息的線路過于龐大而且分散，導致這種芯片的速度變慢。而且，由于二維硅芯層必須在超過1000攝氏度的高溫下單獨制造，因此，無法在現有的集成制造計劃中，在不熔化第三層的基礎上構建3D芯片。

蘇拉克解釋說，碳納米管晶體管幾乎可在室溫下制造，為密集的集成3D芯片提供了更好的途徑。盡管其團隊的3D芯片將比最先進的硅設備大10倍，但這種芯片的速度和能效預計將提高50倍，對于耗電量巨大的數據中心來說，這不啻為一大福音。

此外，DARPA項目還支持對靈活芯片架構的研究。

亞利桑那州立大學的無線通訊專家丹尼爾·布利斯及其同事希望，利用可以即時重新配置以執行特定任務的芯片來改善無線通訊的效果。布利斯正致力于研制利用軟件而非硬件來混合和過濾信號的無線電芯片，這一進步將使更多設備能夠無干擾地發送和接收信號。他說，這可以改善移動和衛星通信，并加快讓無數設備彼此之間通信的物聯網的增長。

DARPA提供的另一項資助將授予斯坦福大學的研究人員，用于改進芯片制造中使用的計算機工具。這些工具通過被稱為機器學習的人工智能來驗證新穎的芯片設計。它們將有助于檢測由數十億個晶體管組成的芯片中的設計缺陷，這一過程以前大部分都是手動完成，新工具有助于加快這一任務的自動化程度，提升公司測試和制造新芯片架構的能力。

斯坦福大學電氣和計算機工程師、3D碳納米管和電路驗證項目研究員瑟巴哈斯希·密特拉說，即便只有小部分新項目取得成功，DARPA的最新資助計劃“也將徹底改變我們設計電子產品的方式”。他表示，這也將促使工程師們超越已在芯片領域盤踞數十年的硅，“現在看來很明顯，硅會沿著已知路徑前進，但我們清楚地知道，未來不是這個樣子”。