基于碳计算的时代即将来临？MIT联手斯坦福制造新型芯片，或将计算机能量效率提高1000倍

编者按：在人们的印象里，计算机绝大部分时间都用在计算上。然而，事实并不是这样的。其实，计算机中大约90%的执行时间和能量其实是花在了在处理器和存储器之间转移数据上。即使按摩尔定律一直发展下去，计算机的运行速度还是会受到“存储”瓶颈的限制。

为此，麻省理工学院（MIT）和斯坦福大学（Stanford University）的研究人员联合发明了一种新型电脑芯片，据研究人员称，此种结构或可将目前计算机的能量效率和运行速度提高 1000 倍。该成果刊登在 7 月 5 日的《自然》期刊上。

如今的电脑是由多种芯片组合而成的。计算是一种芯片——由中央处理器（CPU）负责，数据存储又是一种芯片——由内存条（RAM）负责。而这两者之间的连接却是有限的。随着数据分析量越来越大，这两者之间数据传输速度已经成为一个“通信瓶颈”。而由于硅芯片体积的限制，不论再怎么变小，这两者都无法共存于同一个芯片上。

而更糟糕的是，现代电脑芯片的基础，即硅晶体管的进化速度早已没有前几十年那么快了。

因此，为了克服这两个障碍，麻省理工学院和斯坦福大学的研究人员选择了一条截然不同的路。

这种新型芯片使用了多种纳米技术，以及一个全新的计算机构架。首先，该芯片抛弃了传统的硅，选择使用由2D石墨烯卷成圆柱体形成的碳纳米管作为基础单元。此外，该芯片还选择使用了可变电阻式内存（RRAM），一种通过控制介电质电阻来实现非挥发性存储的内存。

在其设计的原型中，研究人员们将超过100万个RRAM单元以及200万个碳纳米管场效应管融合在了一起，造成了目前世界上最复杂的纳米电子系统。

由于芯片中的RRAM和碳纳米管是相互竖着搭建在对方之上的，因此，这款芯片有着一层计算单元，一层存储单元这种“多层夹心饼干式”的3D结构。而由于每层之间都有着密集的线路，这种3D结构可以有效地解决“通信瓶颈”问题。

据本项研究的主要作者，麻省理工学院微系统技术实验室核心成员之一的 Max Shulaker 介绍，这种结构根本无法用现有的硅技术实现。

“如今的电路是 2D 的，因为建造硅晶体管需要超过 1000 度的温度，如果你在一层硅电路上面在建一层电路，这种温度将会损坏下层电路，”Shulaker说道。而由于碳纳米管和 RRAM 可以在 200 度以下的温度进行生产，“这意味着我们可以在不损伤下层电路的前提下建造上层电路。”

那么，这种3D芯片到底有何优势呢？

该研究的作者之一，斯坦福大学电子工程教授H.-S. Philip Wong表示：“这种由碳纳米管做成的逻辑单元比目前用硅做成的逻辑单元要节能十几倍。同样，RRAM比现有的DRAM（动态随机存取存储器）更密、更快、更节能。”

斯坦福大学的计算机科学家Subhasish Mitra说，“这款新的3D计算机框架为我们提供了计算与数据存储单元之间密集又细致的结合，因此，它可以在存储大量数据的同时，在芯片内对这些数据进行处理，从中提取有用的信息”。他认为，这可以将目前计算机的能量效率和运行速度提高1000倍。

为了验证其性能，研究团队制作了一个电子鼻（气体传感器），它可以区分和确定多种常见气味，如柠檬汁、外用酒精、伏特加、红酒和啤酒。

据加州大学伯克利分校的电子工程与计算机科学教授Jan Rabaey表示，3D融合是可以让摩尔定律持续下去的最有潜力的手段，因为它可以极大的提高每单位体积中计算单元的数量。（Jan Rabaey并没有参与此研究）

“它将从根基引发一个完全不同的崭新角度来思考计算机框架，开启内存和逻辑亲密共存的时代”，Rabaey说道，“这种结构可能尤其适用于基于学习的计算领域，比如类脑系统，以及深神经网络。而此项研究则向那个方向迈出了一大步。”

实际上，研究团队已在碳纳米管计算领域研究多年。而且他们相信，目前进行商业化应用的时机已经成熟。化学传感就可以作为碳纳米管系统成功应用的一个先例。因为采用此工艺可同时制作多个传感器，即使一个传感器不工作了，那么冗余的传感器还将继续工作以使得系统不至于失效。

该研究团队下一个目标就是提高这项技术的那些基础纳米科技，并同时探索一种新的3D计算机框架。而Shulaker则需要与马萨诸塞州的芯片公司AnalogDevices（亚德诺半导体公司）进行合作，开发该技术的新版本，使它可以在一个芯片上同时进行感测和数据处理的能力。

比如，该芯片可以用于感测患者口气中的各种物质，来诊断疾病的病症。计算机的瓶颈问题是一个很大的问题，但随着机器学习等应用更加广泛，计算机的数据密度也在增加。研究人员认为这种新的结构设计未来有极具希望的应用。

斯坦福大学的计算机科学家Subhasish Mitra表示，从超级计算机到手机，人们都享受这种技术带来的便利。

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参考：

http://www.nature.com/nature/journal/v547/n7661/full/nature22994.html?WT.feed_name=subjects_materials-science

http://news.mit.edu/2017/new-3-d-chip-combines-computing-and-data-storage-0705

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/carbon-nanotube-computing-stacks-up

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