2018年09月17日 | 余鹏鲲：石墨烯3D芯片能“使美国再次伟大”吗？

自从特朗普把“美国优先”树立为美国政府制定政策的标准以来，美国的各个产业部门都应景地涌现出“使美国再次伟大”的方案和计划来，其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局（DARPA）作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界，以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式，所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

美国的这一计划分为三个部分：

一类关乎设计，包括：电子智能资源（IDEA）和先进开源硬件（POSH），主要涉及到降低设计成本的问题。

一类关乎计算机体系结构，包括：软件定义硬件（SDH）和区域片上系统（DSSoC）,主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

最后一类关注整合材料的问题，即制造芯片材料的整合问题，包括3D片上系统（3dSoC）和新计算基础需求分析（FRANC）。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队，其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一，而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管，并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

（该团队在3DSoC分项中获得了绝大多数赞助）

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息，有的更将其称之为“美国电子复兴计划中的绝对核心”，并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问，石墨烯3D芯片是什么？真的有这样的威力吗？

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker，Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机，并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

（Max Shulaker教授像）

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型，也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

由于Max教授2013年的辉煌过往，几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片，而且把Max 2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续，而忽略了二者存在的明显区别。

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机，其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料，而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来，两者的思路是不尽相同的。

（仅从论文配图就可以明显看出不是纯石墨烯芯片）

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片，拥着四个集成电路层，并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的，而电阻随机存储单元（RRAM）和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问，这是一个组合型的气味探测芯片，而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

石墨烯芯片还存在很多问题

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料，用Max教授的2013年的话说就是：“与传统晶体管相比，碳纳米管体积更小，传导性也更强，并且能够支持快速开关，因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

换言之就是说，石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗？近几年来，作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗？

事实显然不是这样，现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因，有主频难以继续提高的原因，也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

以主频的提高为例，130nm工艺之后，芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难，目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

（随着制程的减小，门延迟降低而连线延迟上升）

可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题，何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上，半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

今天引入的新材料，如果不能解决上面这些关键问题，面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小，所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

Max教授在他近期的论文中宣称：“该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造，而传统的工艺需要1000度”。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系，按该论文的说法，石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的，构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的，而是“生长”出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

这种方式在一定程度上有其优越的一面，另一方面，如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说：“这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。”而这台计算机仅仅只有178个晶体管，同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

Max教授在另一篇论文中也承认“碳纳米管（加工中）容易改变，这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。”

说取代传统硅芯片为时尚早

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目，一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个，另一方面是因为“电子复兴计划”宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

笔者认为，现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难，该团队的宣传无疑存在相当的水分。

之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成，并构成了100万个气味传感器。也就是说，这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了，而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格，在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。