新的3-D芯片结合了计算和数据存储

作者:陈杰

随着嵌入式智能技术正在越来越多的领域进入生活,从自主驾驶到个性化医疗领域正在产生大量的数据。但是,随着数据的泛滥达到很大的程度,计算机芯片将其处理成有用的信息的能力正在停滞。

据外媒报道:近日,斯坦福大学和麻省理工学院的研究人员已经建立了一个新的芯片来克服这个障碍。研究结果在外媒的“ 自然 ”杂志上发表,主要作者是麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授马克斯·舒尔克(Max Shulaker),Shulaker与H.-S,在该校担任博士生。该团队还包括来自斯坦福大学的Roger Howe教授和Krishna Saraswat教授。

今天的计算机是由不同的芯片拼凑组装在一起。那么用于计算的芯片和用于数据存储的单独芯片两者之间的连接是有限的。随着应用程序分析日益增加的大量数据,数据在不同芯片之间移动的有限速率将创造一个关键的通信“瓶颈”。芯片上的空间有限,没有足够的空间将它们放在旁边,即使它们已经小型化(这是一种称为摩尔定律的现象)。

更糟糕的是,硅片制成的晶体管已经不再像以往那样更加出色。

新的原型芯片是今天芯片的根本变化。它使用多种纳米技术,以及新的计算机架构来扭转这两种趋势。

该芯片不是依赖于硅基器件,而是使用碳纳米管,它们是使用纳米圆柱体的2-D石墨烯片,以及电阻随机存取存储器(RRAM)单元,这是一种非易失性存储器,通过了改变电阻固体电介质材料。研究人员集成了超过100万个RRAM单元和200万个碳纳米管场效应晶体管,使得最新型纳米电子系统成为新兴的纳米技术。

RRAM和碳纳米管彼此垂直地构建,形成了具有逻辑和存储器交错层的新的密集的3-D计算机体系结构。通过在这些层之间插入,这种3-D架构有望解决通信瓶颈。

然而,根据本文的主要作者,Max Shulaker(麻省理工学院微系统技术实验室的核心成员),现有的基于硅的技术不可能采用这种架构。“现在的电路是2-D,因为建立传统的硅晶体管涉及超过1000摄氏度的极高温度,”Shulaker说。“如果然后在上面构建第二层硅电路,那么高温会损坏电路的底层。”

这项工作的关键是碳纳米管电路和RRAM存储器可以在低于200℃的低温下制造。“这意味着它们可以层叠而不会损害下面的电路”。

这为未来的计算系统提供了几个好处。

“器件更好:与现在的硅制成的逻辑相比,碳纳米管制成的逻辑可以比能量效率高出一个数量级,同样的,与DRAM相比,RRAM可以更加密集,更快速,更节能。指的是称为动态随机存取存储器的常规存储器。

“除了改进的设备之外,3-D集成可以解决系统中的另一个关键问题:芯片之间和芯片之间的互连。

“新的三维计算机架构提供了密集和细粒度的计算和数据存储集成,大大克服了芯片之间移动数据的瓶颈,“因此,该芯片能够存储大量数据,将庞大杂乱的数据转化为有用的信息。”

为了展示该技术的潜力,研究人员利用碳纳米管的能力也可以作为传感器。在芯片的顶层,他们放置了超过100万个基于碳纳米管的传感器,用于检测和分类环境气体。

由于传感,数据存储和计算的分层,芯片能够并行测量每个传感器,然后直接写入其存储器,产生巨大的带宽。

来源: 中关村在线

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