美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 (Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) 最近公布了獲得電子復(fù)興計(jì)劃(Electronics Resurgence Initiative，ERI)提供的第一筆資金資助的科學(xué)家、公司和機(jī)構(gòu)的名單。ERI是一項(xiàng)為期5年的、斥資15億美元的計(jì)劃，目的是在摩爾定律時(shí)代即將結(jié)束之際重塑美國(guó)電子產(chǎn)業(yè)。在公布的42個(gè)受資助項(xiàng)目中，有一個(gè)項(xiàng)目因得到大幅超出其他項(xiàng)目的資助金額而特別引人注目。
這個(gè)項(xiàng)目獲得的資助金額高達(dá)6100萬(wàn)美元，其中，“利用密集的細(xì)粒度的單片3D集成技術(shù)變革計(jì)算系統(tǒng)”( Revolutionizing Computing Systems through Dense and Fine-Grained Monolithic 3D Integration)項(xiàng)目是其所包含子項(xiàng)目中獲資做多的——所得資助金額近4000萬(wàn)美元。這個(gè)子項(xiàng)目的目標(biāo)同樣引人注目：利用單片3D集成技術(shù)，使得以用了數(shù)十年之久的舊制造工藝制造出來(lái)的芯片能與以目前最先進(jìn)的技術(shù)所制造出來(lái)的芯片相媲美。
該項(xiàng)目基于麻省理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程助理教授Max Shulaker及其在斯坦福大學(xué)的同事Subhasish Mitra和H.-S. Philip Wong開發(fā)的一種技術(shù)，該技術(shù)允許將碳納米管晶體管和電阻式RAM存儲(chǔ)器構(gòu)建在普通CMOS邏輯芯片之上。
去年他們發(fā)表了一項(xiàng)研究成果：將200萬(wàn)個(gè)碳納米管晶體管和100多萬(wàn)個(gè)電阻式RAM存儲(chǔ)單元構(gòu)建在一個(gè)硅片之上，并通過(guò)層與層之間密集排列的金屬連接線將它們連接起來(lái)，制成的一個(gè)用于酒精嗅探的多層電子鼻裝置。不過(guò)，由于 SkyWater Technology Foundry 公司的參與，這項(xiàng)研究成果并不僅僅是又一項(xiàng)很酷的演示性成果而已。
總部位于明尼蘇達(dá)州布盧明頓的SkyWater公司通過(guò)在用于處理200毫米硅晶片的設(shè)備上應(yīng)用90納米工藝技術(shù)，來(lái)制造芯片。這項(xiàng)工藝技術(shù)在2004年還算得上是尖端技術(shù)，但在15年前大型公司就開始放棄該技術(shù)了。那么，DARPA為什么會(huì)投這么多的資金給使用這項(xiàng)技術(shù)的這個(gè)制造廠呢？
來(lái)聽聽SkyWater總裁Thomas Sonderman的觀點(diǎn)吧。這之后你可能會(huì)覺(jué)得該制造廠可能不僅是最好的選擇，而且可能是唯一的選擇。
Sonderman說(shuō)，由于90納米工藝是一種非常可靠的工藝，并且廣泛用于制造小批量的芯片，“政府的許多工作是圍繞90納米工藝完成的，因此，開發(fā)一種能夠進(jìn)化到更高性能、但仍然遵循90納米工藝的技術(shù)是非常重要的。”
據(jù)Sonderman說(shuō)，DARPA也希望將這項(xiàng)技術(shù)保留在美國(guó)，而SkyWater現(xiàn)在是美國(guó)國(guó)內(nèi)唯一一家本國(guó)獨(dú)資的專營(yíng)硅晶片制造廠。如果DARPA選擇在像圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室這樣的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室來(lái)開發(fā)該技術(shù)，那么成果可能依賴于不常見的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)，而且如果要用于國(guó)防應(yīng)用之外的商業(yè)用途，那么仍需移植到其他商業(yè)制造廠。Sonderman說(shuō)：“在同一個(gè)制造廠開發(fā)該技術(shù)，你就可以很快提高產(chǎn)量生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品”。
照片來(lái)源：SkyWater Technology Foundry
除此之外，并不是每個(gè)制造廠都愿意使用非標(biāo)準(zhǔn)材料（如碳納米管），因?yàn)槿绻幚聿划?dāng)，就可能會(huì)污染其他客戶的產(chǎn)品。
Sonderman解釋說(shuō)：“當(dāng)你想引進(jìn)一些材料如超導(dǎo)材料，并且想將它們放在運(yùn)行CMOS流程的同一條生產(chǎn)線上時(shí)，你需要制定和落實(shí)一整套的協(xié)議。”“我們不僅已經(jīng)將這些協(xié)議落實(shí)到位，而且我們?cè)谶@方面有大約10年的經(jīng)驗(yàn)。我認(rèn)為這是我們真正的優(yōu)勢(shì)之一，也是外界很難與SkyWater競(jìng)爭(zhēng)的原因。”
在接下來(lái)的三年里，Shulaker在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)將專注于開發(fā)制造工藝，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)將創(chuàng)建設(shè)計(jì)工具以幫助工程師充分利用CMOS、納米管晶體管和RRAM的堆疊所帶來(lái)的性能提升。而Skywater將開發(fā)和測(cè)試在其制造廠中運(yùn)行的一套高產(chǎn)的“工藝流程”。
Sonderman說(shuō)：“美國(guó)政府對(duì)于建立一個(gè)不僅能在實(shí)驗(yàn)室工作而且可以在傳統(tǒng)的制造廠模型中使用的工藝流程十分感興趣，因?yàn)檫@意味著你不僅擁有技術(shù)，而且創(chuàng)建了一個(gè)能提供給客戶使用的工藝流程。”
能夠在不需要花高價(jià)置換到更先進(jìn)技術(shù)的情況下就能提高性能，這對(duì)于SkyWater以及其他小型制造廠來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的勝利。Sonderman說(shuō)，最新的基于極紫外光刻技術(shù)的工藝動(dòng)輒需要數(shù)十億美元的投資，要維持運(yùn)營(yíng)所需的產(chǎn)量，并不利于它們?yōu)樾⌒臀锫?lián)網(wǎng)客戶提供服務(wù)。“如果一切都按計(jì)劃進(jìn)行，將標(biāo)準(zhǔn)重新設(shè)回90納米，那么我們就能持續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。”