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　　幾十年來，“更小、更快、更便宜”已成為推動電子設備發展的魔咒。最近，美國斯坦福大學工程師又給它增加了第四個——更高。在12月15日至17日美國舊金山召開的電氣和電子工程師協會（IEEE）國際電子設備大會上，斯坦福大學研究小組介紹了怎樣構建一種“多層”晶片，能大大提高目前電路卡上單層的邏輯和存儲晶片的性能。

　　電路卡就像繁忙的城市，在存儲晶片上存儲數據，通過邏輯晶片計算。當電腦繁忙時，連接邏輯晶片與存儲晶片的線路就會發生“數字交通擁堵”，而“多層”晶片能終結這種擁堵。

　　這種新方案能在存儲層上疊加邏輯層，緊密且互相連接，通過數千個奈米級的電子“電梯”在各層之間運輸數據，將比目前單層邏輯晶片和存儲晶片間的連線速度更快，耗電更少。

　　三項突破

　　這項研究由斯坦福大學電學工程與電腦科學教授薩博哈西斯·米特拉和H-S·菲利普·翁等人負責。據研究小組介紹，他們的創新研究取得了三項突破：第一是製造電晶體的新技術，電晶體是微小的門，通過開關電流來代表1和0；第二是新型的電腦記憶體，具有多層結構；第三是把製造邏輯門和記憶體的新技術整合在一起，成為多層結構的新技術，這與以往的堆疊晶片完全不同。

　　“這項研究還在早期階段，但我們的設計和製造技術是可升級的。”米特拉説，“隨著今後的發展，這種結構將會使電腦性能大大提高，超過現有任何電腦。”

　　翁説，這種晶片的原型已在去年的國際電子器件大會（IEDM）上展出過，顯示了怎樣把邏輯和存儲晶片結合到一種能大規模生産的三維結構上。可以説，這改變了晶片的範式。“有了這種新結構，電子製造業會把你手中的電腦變成強大的超級電腦。”

　　碳奈米管造邏輯層

　　工程師幾十年前就已造出了硅晶片。但無論手機還是平板電腦都會發熱，放出熱量的大小也能顯示其內部問題。即使把它們關上，有時也會有電從硅電晶體中洩露。用戶會感覺到熱，對系統本身來説，這種洩露也會耗盡電池，浪費電力。研究人員正致力於解決這一難題，比如用碳奈米管（CNT）電晶體。

　　碳奈米管非常纖細，20億根才有一根頭髮粗細，所以漏電要比硅少得多。在米特拉和翁的第二篇會議論文中，介紹了他們是怎樣製造性能最高的碳奈米管電晶體的。用以往的生産碳奈米管的標準工藝，造出的奈米管密度不夠緻密。他們攻克了這一難題，開發出一種靈活的技術，能把足夠多的碳奈米管打包在足夠小的面積裏，以製造有用的晶片。

　　他們先在圓形石英晶片上用標準方法生産碳奈米管，然後增加厚度到一定量，再用黏合法把整個碳奈米管層從石英介質上剝離，放到硅晶片上。這種硅晶片就是他們多層晶片的基礎。

　　研究人員先要製造密度足夠大的碳奈米管層，才能製造出高性能的邏輯設備。他們按這種工藝重復13次，在石英晶片上生長了一大堆碳奈米管，然後用轉移技術剝離，把它們沉澱在硅晶片上。用這種簡捷的技術來固定，他們造出了一些迄今密度最高、性能最高的碳奈米管。他們還證明了，在製造多層晶片時，能在超過一個邏輯層上實施這種技術。

　　“三明治式”記憶體

　　造出高性能的CNT電晶體層只是多層晶片的一部分，在每層CNT電晶體層上直接製作出存儲晶片也同樣重要。翁是製造這種記憶體的領導者。

　　翁設計的新型記憶體與目前的記憶體完全不同，不是以硅為基礎，而是用氮化鈦、二氧化鉿和鉑，構成一種金屬—氧化物—金屬的夾層結構，從一個方向通電會産生電阻，而反向通電則能導電。從電阻到導電狀態的改變，就是這種新存儲技術形成數字0和1的方式，所以它的名字就叫做電阻式隨機存取記憶體或RRAM。

　　RRAM比目前的記憶體耗電更少，在移動設備上使用能延長電池壽命。這種新的存儲技術也是製造多層晶片的關鍵，因為RRAM能以比硅記憶體更低的溫度製造。

　　多層互連

　　會議上展示的是斯坦福大學電學工程研究生馬克斯·修雷克和托尼·吳製造的四層晶片。製造RRAM和CNT電晶體層都是以低熱工藝為基礎，所以能在每層CNT邏輯晶片上直接製造存儲晶片層，在製造每層存儲晶片層時，能鑽數千個與下面邏輯層互相連通的小孔。在傳統的電路卡上，就是這種多層互連讓多層晶片能避免“交通擁堵”。

　　如果用傳統的硅基邏輯和存儲晶片，無法實現多層間的緊密互連。因為製造硅基記憶體要花太多熱量，大約要1000℃，這會讓下面的邏輯晶片融化。

　　以往也有人研究堆疊式硅晶片，這會節約空間，但無法避免數據“交通擁堵”。因為每層晶片都要獨立製造，並用電線連接——這仍然傾向於擁堵，與研究小組設計的“奈米電梯”是完全不同的。