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06-18
科技日报：硅计算机芯片问世已经50多年了。
就像人步入老年一样，硅芯片创新的步伐明显放缓。
慢的。
现在，美国国防高级研究计划局（DARPA）“在危机中接到命令”开始解决这个问题。
据美国杂志《科学》官网报道，7月24日，DARPA宣布了一项总计1万美元的计划，旨在通过改进包括碳纳米管在内的新材料和新设计的基础研究来振兴芯片产业。
未来五年，DARPA 的项目将增长到每年 3 亿美元，总计 15 亿美元，为学术界和工业界提供相关资金。
对此，美国卡内基梅隆大学计算机科学政策专家艾丽卡·福斯高兴地说：“我们已经到了必须采取这一步的关键时刻。
”硅芯片正在接近物理极限。
英特尔公司联合创始人戈登·摩尔提出，一块芯片上可容纳的晶体管数量大约每18个月就会增加一倍——这就是我们所说的摩尔定律。
在接下来的 30 年里，芯片开发遵循摩尔定律，缩小了芯片上元件的尺寸。
然而，进入21世纪，单纯依靠规模化的做法显然已经结束。
如果芯片缩小到2纳米，那么单个晶体管的大小将只有10个原子。
如此小的晶体管的可靠性可能存在问题。
随着晶体管的连接越来越紧密，另一个问题也变得明显——芯片功耗将会增加。
此外，麻省理工学院 (MIT) 电气工程师马克斯·苏拉克 (Max Sulak) 表示，当今芯片的速度已经停滞不前，而且每一代新一代芯片的能效仅提高了 30%。
诺基亚贝尔实验室的无线通信专家 Gregory Wright 指出，制造商正在接近硅的物理极限。
电子被限制在只有一个原子宽的硅芯片中，迫使科学家使用复杂的设计来防止电子泄漏并导致错误。
“我们目前改进的空间很小，需要寻找新的方法。
”安娜堡密歇根大学计算机科学家瓦莱里娅·贝尔塔科 (Valeria Bertaco) 表示，只有少数公司能够负担得起数十亿美元的芯片制造工厂，从而扼杀了曾经由小型初创公司主导的领域。
的创新。
福斯表示，一些大公司开始为特定任务设计专用芯片，这大大降低了他们为可共享的基础研究付费的动力。
Foss 及其同事的一项研究指出，2007 年有 80 家公司加入北卡罗来纳州半导体研究界，到 2016 年，这一数字已减少到不到一半。
新材料、新架构的需求 DARPA 正在努力填补这一空白，提供为包括苏拉克在内的研究人员提供资金。
Sulak 正在使用碳纳米管制成的晶体管构建 3D 芯片，这种晶体管比硅晶体管切换得更快、更高效。
一些公司已经在使用硅晶圆来制造 3D 芯片，以更紧密地集成逻辑和存储功能，从而加快处理速度。
但这种芯片的速度会变慢，因为在芯片层之间传输信息的导线太大且分散。
而且由于 2D 硅核心层必须在超过 10 摄氏度的温度下单独制造，因此在现有的集成制造方案中，如果不熔化第三层，就不可能构建 3D 芯片。
Sulak 解释说，碳纳米管晶体管几乎可以在室温下制造，为密集集成的 3D 芯片提供了更好的途径。
尽管他的团队的 3D 芯片将比最先进的硅器件大 10 倍，但该芯片的速度预计将提高 50 倍，并且更加节能，这对于耗电的数据中心来说是一个福音。
此外，DARPA 项目支持灵活芯片架构的研究。
亚利桑那州立大学无线通信专家 Daniel Bliss 和他的同事希望通过可以动态重新配置以执行特定任务的芯片来改善无线通信。
Bliss 正在研究使用软件而不是硬件来混合和过滤信号的无线电芯片，这一进步将使更多设备能够在不受干扰的情况下发送和接收信号。
他表示，这可以改善移动和卫星通信，并加速物联网的发展，使无数设备能够相互通信。
DARPA 的另一笔拨款将授予斯坦福大学的研究人员，用于改进芯片制造中使用的计算机工具。
这些工具通过称为机器学习的人工智能来验证新颖的芯片设计。
它们将帮助检测由数十亿个晶体管组成的芯片中的设计缺陷，这一过程以前主要是手动完成的。
新工具将有助于加快这项任务的自动化速度，使公司更容易测试和制造新产品。
芯片架构能力。
斯坦福大学电气和计算机工程师、3D 碳纳米管和电路验证项目研究员 Surbhashi Mitra 表示，即使只有少数新项目取得成功，DARPA 的最新资助计划“也将彻底改变我们设计电子产品的方式”。
他表示，这也将推动工程师超越硅，硅已经在芯片领域根深蒂固了数十年。
“现在看来，硅将遵循一条已知的道路是显而易见的，但我们清楚地知道，未来并不像这样。
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